铌-钌体系相稳定性的实验与第一性原理研究及其在高温合金设计中的意义

本研究针对Nb-Ru二元体系高温相图缺失的关键问题，通过扩散偶与平衡合金法结合第一性原理计算，首次观测到Ru2Nb（C37结构）和Ru3Nb（Ni3Sn型）在1373-1473 K的稳定存在，揭示了B2(RuNb)有序相中电子转移强化金属键的机制，为钴基高温合金中Nb/Ru元素的优化设计提供了理论依据。

　　

在新型钴基高温合金的研发浪潮中，γ'-Co₃(Al,W)相（L1₂结构）的发现掀起了材料学界的热潮。这种与镍基高温合金相似的γ/γ'共格微观结构，其稳定性直接决定了合金的高温性能。然而，作为关键合金化元素的铌(Nb)和钌(Ru)，它们在钴基合金中的作用机制却因Nb-Ru二元体系高温相图数据的缺失而难以精准调控。更棘手的是，Ru在Nb中的扩散速率极低，传统平衡合金法需要耗费大量时间。这些瓶颈严重制约了高性能钴基合金的设计开发。

北京科技大学的研究团队另辟蹊径，将扩散偶技术与平衡合金法相结合，并辅以第一性原理计算，成功破解了这一难题。他们采用纯度达99.999 wt.%的Nb和Ru原料，通过电弧熔炼制备不同成分的合金。为捕捉高温下的相平衡信息，研究团队设计了3组扩散偶和3组平衡合金样本，分别在1373 K、1473 K和1723 K下进行退火处理。微观结构表征依托扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)，而关键的成分分析则采用电子探针微分析(EPMA)技术完成。

Ru₃Nb与Ru₂Nb的稳定性验证
EPMA线扫描结果显示，在1723 K退火的扩散偶中出现了明显的浓度突变区（57.78-74.32 at.% Ru），对应Ru₃Nb单相层。而在1473 K和1373 K的样本中，除了Ru₃Nb外，还检测到Ru₂Nb相的存在。特别值得注意的是，第一性原理计算证实：具有C37结构的Ru₂Nb和Ni₃Sn型结构的Ru₃Nb在1473 K下均表现出良好的动力学和热力学稳定性，这与实验观测结果高度吻合。

bcc(Nb)与B2(RuNb)的相变机制
通过吉布斯自由能分析，研究者发现振动和电子贡献对预测bcc(Nb)与B2(RuNb)之间的二阶相变至关重要。电荷分布计算揭示了一个有趣现象：在B2(RuNb)有序结构中，Nb原子获得电子而Ru原子失去电子，这种电子转移显著增强了金属键强度，使得有序结构比无序的bcc(Nb)更具稳定性。这一发现从电子层面解释了B2相的高温稳定性机制。

相图重构与工程价值
基于实验数据和计算结果，研究团队重构了Nb-Ru体系的高温相图。其中Ru₂Nb在1473 K和1373 K的溶解度范围分别精确测定为62.56-63.31 at.% Ru和61.90-65.67 at.% Ru。这些数据填补了该体系在高温区的空白，为优化钴基高温合金中Nb/Ru元素的添加比例提供了科学依据。

这项发表于《Journal of Alloys and Compounds》的研究具有双重突破性：方法学上，它证明了扩散偶技术在高熔点难扩散体系研究中的独特优势；理论上，首次阐明了Nb-Ru体系中电子重分布对相稳定性的调控机制。对于开发新一代含Nb/Ru的钴基高温合金而言，该成果就像一把钥匙，打开了精准设计γ/γ'微观结构的大门。特别是发现Ru在钴基合金中倾向于分布在γ'相（与镍基合金相反）这一特殊现象，更需要此类基础研究的支撑。随着航空发动机涡轮叶片等关键部件对耐温性能要求的不断提高，这项研究的基础性价值将日益凸显。