Co-Cr-Re三元体系FCC相的1 373和1 473 K扩散动力学研究

孙元舟 刘 微 鲁晓刚,

(1.上海大学 材料科学与工程学院,上海 200444; 2.上海大学 材料基因组工程研究院,上海 200444)

Co基高温合金在高温应用中具有重要价值[1],而Co-Cr-Re三元体系在开发Co基高温合金中发挥了关键作用。该类合金的微观结构演化在很大程度上取决于扩散,因此扩散动力学是研究并优化其高温性能的有效方法。了解多组分合金的体扩散过程在凝固、蠕变、均匀化、沉淀、再结晶和沉淀等中的应用很有必要[2-4]。扩散在多组分合金设计中的应用引起了人们的广泛兴趣。计算机模拟能够观察复杂材料的组织演变过程。扩散控制相变(DIffusion Controlled TRAnsformation, DICTRA)[5]是一种基于扩散界面和局部平衡假设、模拟多组分系统中扩散控制相变的软件。DICTRA软件已成功地利用原子移动性参数数据库来模拟各种相变过程。但目前基于CALPHAD(CALculation of PHAse Diagram)框架的相关扩散动力学描述在文献和商业数据库中仍然缺失,有关Co-Cr-Re体系FCC相的互扩散系数数据也十分匮乏。

本文制备了8对Co-Cr-Re体系FCC相的扩散偶样品,通过电子探针测定其成分-距离曲线和扩散通道,利用Whittle-Green方法获得互扩散系数,结合热力学数据库与扩散试验数据,评估优化得到Co-Cr-Re体系FCC相的原子移动性参数。

1 文献调研

1.1 Co-Cr体系

Weeton[6]、Davin等[7]、Green等[8]通过试验测得了Co-Cr体系的互扩散系数。Zhang[9]和Campbell等[10]评估了Cr在FCC-Co中的杂质扩散系数。与Campbell等[10]的结果相比,Zhang[9]的计算结果更好地再现了Weeton[6]的试验数据。此外,Zhao等[11]对Co-Cr体系进行了全面的评估和优化,并制备了3个温度下的3对扩散偶,以测定互扩散系数。

1.2 Co-Re体系

Naghavi等[12]利用第一性原理计算了FCC-Co中Re的杂质扩散系数。Shang等[13]通过第一性原理计算了FCC-Re的自扩散系数。2016年,Neumeier等[14]利用扩散偶测得了Co-Re二元体系在1 373、1 473和1 573 K的互扩散系数。2019年,Liu等[15]基于Neumeier等[14]的互扩散系数,对Co-Re二元系进行评估,并给出了其原子移动性参数。2020年,史中文[16]基于Neumeier等[14]的试验结果对Co-Re二元系进行了优化。2021年,李慧明[17]制备了两组扩散偶,研究了其1 373与1 473 K的扩散行为,测量并优化了Co-Re体系的互扩散系数。

1.3 Cr-Re体系

Cr-Re体系不存在FCC相,所以没有相关的试验数据。

1.4 Co-Cr-Re体系

目前对Co-Cr-Re体系的FCC相扩散动力学的研究还未见报道。

2 扩散动力学建模

(1)

(2)

(3)

3 试验过程

试验所用原料为纯Re(纯度为99.99%)、纯Co(99.999%)和纯Cr(99.99%)颗粒,通过WK-II型非自耗型真空熔炼炉在氩气气氛中进行电弧熔炼。为确保样品成分的均匀性,每个样品都翻转熔炼5次,随后用电火花线切割将熔炼好的纽扣锭切成4 mm×4 mm×4 mm的块体。用超声波清洗样品后打磨抛光其表面,以去除表面油污和金属粉末,然后密封在充满高纯度氩气的石英管中,置于高温炉中在1 473 K均匀化退火3 d,随后水淬,进行镶嵌、打磨和抛光。将样品按扩散偶成分进行两两组合,用夹具将一对样品固定并夹紧,按照上述步骤再次封入氩气保护的石英管中,分别在1 373和1 473 K扩散退火21和11 d,随后水淬,进行镶嵌、打磨和抛光。最后利用电子探针X射线显微分析仪(electron probe X-ray microanalyser,EPMA)进行定量分析,测定有效扩散区域的成分变化。

Co-Cr-Re体系扩散偶成分及试验条件如表1所示。在扩散偶界面处选取长2倍于扩散距离并垂直于界面的线,使用EPMA等距打点40～60个,如图1所示。

图1 测点示意图Fig.1 Schematic diagram of measuring points

表1 Co-Cr-Re体系扩散偶成分及试验条件汇总Table 1 Summary of compositions of diffusion couples and experimental conditions of the Co-Cr-Re systems

4 结果与讨论

表2 试验测得的Co-Cr-Re体系FCC相的互扩散系数Table 2 Interdiffusion coefficients of FCC phase of Co-Cr-Re systems measured in the experiment

在优化Co-Cr-Re三元系FCC相的三元原子移动性参数之前,需先确定其Co-Cr、Co-Re和Cr-Re子二元系的原子移动性参数。

图2 本文计算得到的主扩散系数与试验值的对比Fig.2 Calculated main diffusion coefficients compared with experimental data in this work

表3 本文评估的Co-Cr-Re三元系FCC相的原子移动性参数Table 3 Atomic mobility parameters for FCC phase of Co-Cr-Re alloys evaluated in this paper

图3是本文计算得到的Co-Cr-Re三元体系的成分-距离曲线与试验数据的对比。可见计算结果与试验数据吻合较好,进一步验证了本文评估得到的原子移动性参数的可靠性。从图3还可以发现,1 473 K温度下的成分-距离曲线的拟合度优于1 373 K温度下的。此外,在相同扩散温度和时间下,Re元素的扩散距离远小于Cr元素的扩散距离。图4为本文计算的1 473 和1 373 K等温截面上的扩散通道与试验数据的对比。可见由于Re元素扩散较慢,在扩散通道的部分位置上Re成分保持不变。

图3 扩散偶成分-距离曲线的计算结果与试验数据的对比Fig.3 Comparison between calculated composition-versus-distance curves of diffusion couples and experimental data

图4 本文计算得到的扩散通道与试验数据的对比Fig.4 Calculated diffusion paths compared with the experimental data in this work

5 结论

在调研并确定Co-Cr、Co-Re和Cr-Re子二元系原子移动性参数之后,结合已有热力学数据库,本文制备了8对三元系Co-Cr-Re扩散偶,测定了该体系中FCC相的成分-距离曲线,利用Whittle-Green方法获得互扩散系数。结合试验数据,优化得到了可靠的原子移动性参数,丰富了Co基高温合金的动力学数据库。计算得到的Co-Cr-Re三元体系FCC相中的互扩散系数与试验数据拟合较好,且模拟得到的扩散行为与试验情况基本一致。