γ′强化钴镍基高温合金的 Ti 协同元素偏析：综合设计与实验研究

《Materials Science and Engineering: A》：Ti coordinated element partitioning of γ′ strengthened CoNi-based superalloys: An integrated design and experimental study

　　

摘要

高温微观组织稳定性和低密度是γ′强化型高温合金用于航空发动机时的关键特性。近年来开发的CoNi基高温合金表现出优异的性能，但在多组分优化、形貌动力学和性能预测方面仍存在挑战。在成分优化过程中，采用了基于领域知识的经验约束、计算数据驱动相分类和实验数据驱动性能回归方法。通过整合机器学习（ML）、CALPHAD热力学计算、相场（PF）模拟和实验验证，建立了一个加速设计框架。所设计的Co-36Ni-15Al-3Ti（at.%）高温合金实验表现出低密度（8.06 g/cm3）、高γ′固溶线温度（1525 K）和高硬度。此外，相场动力学计算表明，Ti的添加加速了γ′生长，促进了规则P型筏化，并将模拟稳态蠕变速率降低了50%以上（3Ti为×××，1Ti为×××），表明微观组织蠕变抗力显著增强。所提出的数据与物理驱动的ML-PF范式为下一代高温合金提供了高效的设计和动力学预测策略。

引言

L12-γ′相强化的Ni基高温合金具有优异的高温力学性能，广泛应用于航空航天和地面燃气轮机发动机[1]、[2]。先进飞机的发展要求高温合金在γ+γ′双相稳定状态下具有更高的服役温度[3]、[4]、[5]。CoNi基高温合金表现出更优的γ′相稳定性、改善的高温强度和抗氧化性[6]、[7]、[8]。

近期研究表明，CoNiAl基高温合金具有出色的耐高温力学性能和显著的微观组织稳定性[9]，其中Al在有序γ′-(Co,Ni)?Al相的形成和热稳定性中起关键作用，通过其γ基体的界面共格关系显著增强了蠕变抗力和屈服强度[10]、[11]。在CoNi基高温合金中，Al和Ti已知可增强蠕变抗力和固溶线温度。Co-Ni-Al-Ti四元体系中元素与微观组织之间复杂的非线性相互作用需要综合计算方法来优化高温合金的γ′形貌和蠕变性能。

长期高温服役的一个特别关注点是γ′粗化对蠕变抗力、强度和蠕变寿命的影响。研究表明，γ′相的形貌演化受内在因素控制：γ/γ′晶格失配[12]、[13]和元素分配行为[14]、[15]。因此，有必要对CoNiAl基高温合金的合金化设计和元素分布进行研究。Ti在先进高温合金中对强度、微观组织稳定性、抗氧化和耐腐蚀性表现出积极效果。Chen等人[16]发现，少量Ti有利于第二代Ni基单晶（SX）高温合金的微观组织演化、γ/γ′晶格错配、蠕变抗力和元素分配行为。此外，Ti通过降低合金密度和提高力学强度及抗氧化性发挥多功能作用[17]、[18]、[19]。因此，全面研究Ti对微观组织演化、相稳定性和力学性能的影响对于设计CoNiAl基高温合金是必要的。

合金元素之间复杂的非线性相互作用需要多目标优化[20]，这对巨大的成分空间和高维参数提出了挑战。机器学习（ML）通过高效的成分筛选和多维参数优化，在加速合金设计方面展现了卓越能力[21]。ML有助于建立结构-性能关系并设计下一代高温合金[22]。数据驱动的ML在解决复杂非线性问题和大型组合优化挑战方面具有优势，从而加速了CoNi基高温合金的设计[23]。

本工作旨在通过ML设计高性能CoNi基高温合金，包括γ+γ′相的热稳定性、力学完整性、抗氧化性和蠕变性能。进一步利用热力学计算验证所设计合金的熔化和溶解特性，为后续的相场（PF）模拟在成分和温度选择上提供支持。为揭示这些合金中相变和析出动力学的内在机制，PF模拟提供了定量的相演化动力学和元素分配。然后通过热力学计算和实验验证了Ti的影响。

热力学计算与实验验证的PF模拟的协同组合加速了ML引导的高性能CoNiAl基高温合金的预测流程。此外，这种综合方法为Ti在演化动力学中的作用提供了洞察。该框架连接了理论计算、实验表征和PF预测，为先进高温合金的合理设计建立了全面的范式。

章节摘要

实验与模拟

具体实验和相场模拟细节见支持信息。

机器学习引导的合金设计

为加速Co-Ni-Al-Ti体系中γ′强化型CoNi基高温合金的发现，我们实施了图1所示的数据驱动设计框架。该策略整合了基于领域知识的筛选、CALPHAD信息相分类和实验数据驱动性能回归，同时优化多个目标性能。潜在成分空间最初通过冶金原理进行约束，以确保环境耐受性和γ′...

γ/γ′晶格失配随Ti含量的演化

在γ′相的生长或粗化过程中，其形貌由界面能、化学自由能和弹性应变能的最小化驱动[26]、[40]、[41]、[42]、[43]。γ与γ′相之间的正晶格失配δγ/γ′随Ti含量增加从0.70%增至1.03%（图5f），为形貌从球状向立方体的转变提供了弹性驱动力。

晶格失配δγ/γ′[44]：

其中，aγ'和aγ分别代表...

结论

本研究整合了ML、PF模拟、热力学计算和实验验证，系统阐明了Ti在γ′相强化Co-36Ni-15Al-xTi（x=1, 2, 3 at.%）高温合金的晶格失配、粗化动力学、元素分配行为和微观组织演化中的关键作用。主要结论总结如下：

(1) 建立了ML筛选—热力学计算—PF动力学—实验验证的序贯综合框架

CRediT作者贡献声明

Kunning Niu：撰写—原稿，方法论，调查。Yongsheng Li：撰写—审阅与编辑，资源，资金获取，概念化。Haiyou Huang：撰写—审阅与编辑，资源，概念化。Shenglong Wang：形式化分析。Ye Shan：形式化分析。Shibo Wei：验证。Zan Zhang：验证。Pei Liu：验证，调查。

数据可用性

数据可应要求提供。

代码可用性

所用代码可应合理请求从通讯作者处获取。

利益冲突

作者声明无利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作受国家自然科学基金[资助编号52275342]和中国科学院青年拔尖人才支持计划（编号YESS20240179）支持。

Kunning Niu | Pei Liu | Zan Zhang | Shibo Wei | Ye Shan | Shenglong Wang | Haiyou Huang | Yongsheng Li

南京理工大学，江苏省轻合金及先进铸造技术重点实验室，南京，210094，中国