镍基钎焊接头中降熔元素微观扩散行为研究

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高温合金因为具有优异的高温性能,广泛应用于核电、石油化工、运输、能源、航空航天等各种工程领域。高温钎焊是高温合金目前应用最广泛的连接及损伤修复工艺方法,例如航空发动机高低压涡轮叶片的裂纹损伤只能采用高温钎焊的方式修复。随着航空航天技术的发展,连接技术的要求变得更高,高温钎焊技术也受到更大的重视。本文采用第一性原理的计算方法,以BNi5钎料钎焊哈氏合金X为例,使用VASP软件对降熔元素Si和钎料中常见合金元素(Cr、Mo、W)在Ni基钎料γ-Ni、γ’-Fe Ni3及三元无序合金结构中的占位倾向进行了计算,并通过过渡态搜索揭示了钎焊过程中晶体结构、元素种类等因素对降熔元素Si等价位点间扩散行为的影响;此外还通过理论计算表征了降熔元素Si与合金元素(Ni、Cr、Mo、W)之间生成脆性相的难易程度及其力学性能。旨在通过理论计算的方法,从微观角度解释降熔元素的扩散行为和降熔元素扩散不均匀时产物的生成对钎焊接头性能的影响。结论如下:(1)合金元素M(Cr、Mo、W)掺杂在γ-Ni、γ’-Fe Ni3超晶胞中后提高了晶体结构的稳定性,且合金元素在γ’-Fe Ni3中更倾向于取代Fe元素。Si元素在γ-Ni、γ’-Fe Ni3更倾向于占据在构成原子均为Ni原子的八面体间隙中。经过Si原子等价位点间扩散能垒计算,发现合金元素的占据使γ-Ni、γ’-Fe Ni3晶胞合金元素附近的八面体间隙造成了局部畸变,掺杂的合金元素原子半径越大,晶格畸变越严重,致使Si原子的扩散能垒越大,Si原子扩散越困难。上述计算结果表明,钎料中合金元素的添加是造成降熔Si元素在γ-Ni及γ’-Fe Ni3中扩散降低的主要因素。(2)通过第一性原理计算得知Si元素在特殊准随机结构的三元无序合金中占据在合金元素种类更多的间隙位置时不仅生成能、晶格畸变最小,甚至在纯Ni处掺杂Si元素的时候,Si原子在结构优化后还会产生严重的位置偏移,因此降熔元素Si更倾向于占据在三元无序合金中周围合金元素种类更多的间隙位置。而经过相邻晶胞等价位置间过渡态搜索的扩散行为计算,发现扩散路径周围原子种类含量越少,扩散能垒越高,其原因可能与晶格畸变程度和键能强度相关,由此推测Si元素在三元合金中的扩散是向元素种类多的位置偏聚扩散。(3)钎焊过程中降熔元素Si扩散不均匀的产物多为硅化物,使用第一性原理对MnSim(M=Ni,Cr,Mo,W)二元硅化物的结构性质和热力学性质进行计算发现,二元硅化物是稳定存在且易于生成的,而且体积模量、剪切模量等力学参数随硅化物中Si含量的增加呈现规律性变化。计算结果还表明,二元硅化物的热力学稳定性随硅化物中Si含量的增加而升高,同时其硬度和脆性也随硅化物中Si含量的增加而增加。上述结果充分说明了,降熔元素Si的聚集及硅化物的生成是钎焊接头质量下降的重要原因。
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