Ni-Fe-Si体系面心立方（fcc）相中的原子迁移率及动力学特性

扩散系数及原子迁移率参数研究 | 分隔符

　　

Kexin Liu|Xiangyang Yin|Shipeng Huang|Jing Tan|Yuling Liu|Yong Du

中南大学粉末冶金国家重点实验室，中国湖南省长沙市，410083

摘要

铁（Fe）和硅（Si）是修改镍基超合金的重要添加元素。在Ni-Fe-Si体系中，这些合金元素的准确互扩散系数是进行微观结构模拟的重要输入参数。在这项工作中，准备了十二对扩散对，并分别在不同温度1273、1373和1473 K下进行退火处理。通过电子探针显微分析（EPMA）测量了组成了分布。基于实验得到的组成分布数据，利用Matano-Kirkaldy方法计算了fcc Ni-Fe-Si三元体系的互扩散系数。结合热力学参数、亚二元动力学参数以及目前获得的实验数据，使用CALTPP（热物理性质计算）软件中的数值反演方法得到了沿扩散路径的互扩散系数和一组原子迁移率参数。通过比较模型预测与实测的组成分布和扩散路径，验证了原子迁移率参数的可靠性。此外，还利用这些原子迁移率参数预测了互扩散系数、激活能和频率因子的三维分布。本研究获得的原子迁移率参数有助于镍基超合金原子迁移率数据库的建立。

引言

镍基合金因其优异的耐热性、耐腐蚀性和低热膨胀性而在现代工业中得到广泛应用，尤其是在高温和极端环境中表现出色[[1], [2], [3], [4], [5]]。添加铁（Fe）可以通过固溶强化和相变强化显著提高这些合金的蠕变强度。铁（Fe）稳定了固溶体，并通过优化γ'-（Ni, Fe）₃Si相在γ-Ni基体中的分布和形态来增强强度和蠕变抗力，γ'-（Ni, Fe）₃Si相是主要的强化相，在高温下提供了出色的热稳定性和机械性能[[6], [7], [8]]。同时，适量的硅（Si）通过形成碳化物和其他强化相来提高镍基合金在高温下的硬度和蠕变抗力，这些强化相有效抑制了位错的运动。此外，硅（Si）促进了Ni₃Si等金属间化合物的形成，这些化合物具有良好的硬度和热稳定性，进一步提升了合金的整体性能[[9], [10], [11]]。揭示Ni-Si-Fe体系的动力学行为对于控制相关镍基超合金的强化效果至关重要。因此，本研究重点关注Ni-Fe-Si体系的扩散行为，将其视为抗蠕变超合金的一个子系统，为新高性能镍基合金的开发提供理论基础和数据支持。

CALPHAD（相图计算）方法是一种基于热力学数据库构建和优化的计算框架，为多组分系统的材料设计提供了有效的方法。CALPHAD方法已在材料计算领域得到广泛应用[12,13]。Miettinen等人[12]研究了Ni-Fe-Si三元体系的热力学性质，但该体系的动力学数据库仍不完善。动力学参数，特别是扩散系数和原子迁移率参数，对于理解材料在高温下的微观结构演变及其性能至关重要。为了解决这一问题，本研究采用了高通量数值反演方法和经典的Matano-Kirkaldy方法[15], [16], [17]来计算Ni-Fe-Si三元体系的互扩散系数和原子迁移率参数。这两种方法都可以在CALTPP程序[18], [19], [20], [21]中实现，为镍基超合金动力学数据库的开发提供了重要的理论基础。

本研究的目标如下：i) 使用Matano-Kirkaldy方法和高通量数值反演方法计算Ni-Fe-Si三元合金在1273、1373和1473 K下的互扩散系数；ii) 使用数值反演方法优化Ni-Fe-Si三元体系的原子迁移率参数；iii) 通过将数值反演方法的结果与Matano-Kirkaldy方法的结果进行比较，并将基于优化参数的模拟结果与EPMA实验数据进行对比来验证数值反演方法的结果；iv) 绘制不同温度下的扩散系数曲线，并预测扩散激活能和频率因子。本研究获得的优化原子迁移率参数可以为现有的镍基超合金数据库提供补充，为镍基超合金的设计提供支持。

实验程序

实验材料选用纯度为99.99 wt%的镍（Ni）、纯度为99.99 wt%的铁（Fe）和纯度为99.99 wt%的硅（Si）。根据Ni-Fe-Si三元体系在1273、1373和1473 K下的等温截面[22]，在Ni-Fe-Si三元体系的fcc相中选取了十二对合金成分，如表1所示。首先，在真空电弧熔炼炉（DHL-400，沈阳科学）中熔化了不同成分的合金。

Matano-Kirkaldy方法

受Onsager工作的启发，Ni-Fe-Si三元体系中组分i的互扩散通量${\stackrel{?}{J}}_i$可以表示为：${\stackrel{?}{D}}_{\text{FeFe}}^{\text{Ni}}$${\stackrel{?}{D}}_{\text{SiSi}}^{\text{Ni}}$${\stackrel{?}{D}}_{\text{FeSi}}^{\text{Ni}}$${\stackrel{?}{D}}_{\text{SiFe}}^{\text{Ni}}$${\stackrel{?}{D}}_{\text{SiFe}}^{\text{Ni}}$其中 x 是扩散距离，c_i 是Fe或Si的浓度。