【摘 要】
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高温合金材料作为重要耐高温结构材料,主要应用于航天涡轮叶片。由于母相中析出晶格适配绝佳的γ′沉淀相,以及组分对化学反应的作用,极端环境中合金具有优异的高温强度和良好的抗氧化-抗腐蚀能力。高温合金中Ni基合金的研究与应用,加深了对高温合金的认识,促进了合金性能的提升。但随着Ni基合金的发展,固相线温度低的缺陷体现出来。固相线温度较高的新型Co基与Ni-Co基合金发现存在沉淀强化。该类合金的力学与热力
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（项目批准号:11864030）； 内蒙古自治区自然科学基金项（项目批准号:2017MS011）； 内蒙古师范大学研究生科研创新基金项目（项目编号:CXJJS18087）；
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高温合金材料作为重要耐高温结构材料,主要应用于航天涡轮叶片。由于母相中析出晶格适配绝佳的γ′沉淀相,以及组分对化学反应的作用,极端环境中合金具有优异的高温强度和良好的抗氧化-抗腐蚀能力。高温合金中Ni基合金的研究与应用,加深了对高温合金的认识,促进了合金性能的提升。但随着Ni基合金的发展,固相线温度低的缺陷体现出来。固相线温度较高的新型Co基与Ni-Co基合金发现存在沉淀强化。该类合金的力学与热力学问题是当前高温合金的领域的热点。本文主要基于密度泛函理论计算了（NiCo）3AlTm高温合金的弹性常数,体模量,剪切模量,多晶弹性常数,形成焓,吉布斯形成能和本征层错能等。讨论主要包括两个方向,组分与磁矩对力学与热力学的作用。合金中Ni位的Co会增大晶格常数和体模量,Al位的Cr,Mo,Ti会因磁性不同产生差异。Ni-Co基合金的形成焓为负值,说明为放热反应。混合焓数值为正,四元合金可能会存在相分离存在。考虑构型熵后吉布斯能为负值,因此有限温度下四元合金就可能稳定存在。本文使用平均场方法计算的Ni3Al合金的居里温度为38.5 K,与实验符合的很好。居里温度的结果表明Ni-Co-Al-Cr（Mo）合金的γ′相转变温度很低,在高温时为顺磁态。合金在顺磁时的热膨胀系数更小。铁磁态时Co含量增加会降低剪切模量;顺磁态下Ni与Co含量相同时会出现极值,随Cr含量增大。多晶结果表明Ni-Co基合金表现为延展性和各向异性。铁磁态杨氏模量有明显的各向异性,顺磁与无磁态合金的各向异性程度会降低。铁磁态下合金具有良好的延展性,Co能提高延展性,Cr,Ti,Mo元素是相反的作用。Ni-Co基的层错能随Co含量降低,随Cr,Mo增大。顺磁态与无磁态数值比较接近,与铁磁态比有明显差异。合金的组分对超晶格本征堆垛层错SISF（superlattice intrinsic stacking fault）能影响巨大。不同的磁性状态下,合金的单晶弹性常数的变化规律有所不同。铁磁态下合金计算结果会低估剪切模量。顺磁态Ni-Co基合金的C′数值基本不变,C44会随Cr组分升高,比无磁整体有下降。对比不同磁性状态下合金平衡体积,体模量,泊松比和弹性常数,发现低浓度掺杂下,顺磁与无磁有微弱差异,但铁磁与顺磁态明显不同;高浓度下,顺磁与无磁基本一致,铁磁顺磁仍然差距明显,其中许多数值差异有50%。Ni-Co基合金SISF能变化与弹性常数一致,不同磁性状态会有明显差异,差异最多有20 mJm-2。以上数据表明合金计算时的磁性设置不可忽略。
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