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低膨胀高温合金是基于“因瓦效应”和“时效强化”发展起来的新型高温结构材料。利用低膨胀高温合金制造发动机部件,可以实现发动机的间隙控制,降低油耗、提高燃油效率、提高发动机的推重比。航空和航天的发展要求发动机的工作温度更高,对低膨胀高温合金在高温下的低膨胀性能、高温抗氧化性能以及在高温下的力学性能有了进一步的要求,有必要开发一种新型的抗氧化型低膨胀高温合金。 本文通过计算过渡金属元素合金化铁镍γ基体、γ′相和β相的转移能,研究了过渡金属元素在铁镍γ基体、γ′相和β相中的占位情况。结合合金化后体系铁磁状态和顺磁状态的体积差百分比,筛选获得了对基体自发磁致伸缩体积有利的元素:Sc、Ti、V、Co、Cu、Nb、Ru、Rh、Ag、Cd、Ta和Au。利用第一性原理结合准谐德拜模型计算了过渡金属合金化γ′相和β相体系在压强为0GPa不同温度下的膨胀系数和体弹性模量,结合占位情况,分析了过渡金属元素合金化对γ′相和β相的膨胀系数和体弹性模量的影响。分析结果显示,在γ′相中加入Nb、Tc、Ru、Rh、Cd、Ti、Co、Mn、Zn、Re、Os和Ta后其膨胀系数减小,尤其是Ta在高温情况下膨胀系数随着温度升高的变化缓慢,对低膨胀高温合金的膨胀性能有利;Ta、W、Re、Os、Ir、Tc、Ru、Rh、Nb、Mo和Pd的加入降低了β相的膨胀系数。对γ′相高温强度有利的过渡金属元素有:Ti、Co、V、Cr、Mo、Nb、Ru、Rh、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt和Ta。对β相高温强度有利的过渡金属元素:Co、V、Mo、Nb、Tc、Ru、Rh、W、Ta、Re、Os和Ir。 利用第一性原理计算了合金中的可能存在的Ni3X相。从理论上证明γ′-Ni3Ti可以存在,分析其态密度发现,Ni和Ti的相互作用在-0.5eV附近产生一个伪能隙,预示了合金的键拥有共价键特征。费米能级处于反键区域,因此一些电子占据了反键态。这可能就是γ′-Ni3Ti在室温下不稳定的原因。结合准谐德拜模型预测了Ni3X相的热力学性质。 通过元素筛选,将体系确定为Fe-Co-Ni-Ta。参照EXP4005和Thermo-span设计了6种成分的合金进行对比性实验。研究合金成分及其含量对组织和性能的影响。含4wt％Ta的合金在20~650℃的平均膨胀系数仅仅比不含Ta的膨胀系数大1.0×10-7。但是,650℃暴露在空气中100h的氧化增重降低了一倍,并且650℃的高温抗拉强度由987MPa增加到了1025MPa,屈服强度由783MPa增加到了820MPa;Co的加入升高了低温下的膨胀系数,降低了高温下的膨胀系数,使得膨胀系数随着温度的升高趋于平坦;合金中的Co含量由21wt%增加到30wt%时,650℃暴露在空气中100小时的氧化增重由1.15g/m2减少到0.61g/m2;新型Fe-Co-Ni-Ta系低膨胀高温合金的物理学性能比较优良,密度为7.89g/cm3,居里温度在420~470℃之间,20~400℃平均热膨胀系数只有7.88×10-6/℃低于EXP4005和Thermo-span,高温力学性能却更为优良。