钛合金中的原子扩散与高温蠕变性能设计

胡青苗

中国科学院金属研究所

摘 要

应用于航空发动机的钛合金部件在较高温度及持续应力下工作。在这种工作环境下，合金发生缓慢的塑性变形，即，蠕变。提高合金的蠕变抗力是高温钛合金设计的关键之一。在高温下，稳态蠕变由原子扩散机理控制，蠕变激活能与扩散激活能接近。一般来说，慢扩散合金元素能增加合金的蠕变抗力，快扩散元素则反之。因此，理解钛合金中的合金原子扩散行为对高温钛合金设计具有重要意义。我们采用高通量第一原理计算方法研究了不同机制下钛合金中合金原子的扩散行为。研究表明，Al、Si、Sn等合金原子的扩散由空位机制控制，扩散系数低于或接近钛原子自扩散系数，为正常或慢扩散元素，特别是Si可以提高合金的蠕变抗力。Fe、Co、Ni等有较高的热平衡间隙浓度，间隙原子对扩散系数有较大贡献，为快扩散元素，在高温下降低钛合金的蠕变抗力。进一步研究了Si与其它合金原子的相互作用，发现Si与Mo和Re的协同作用能更有效地提高钛合金的蠕变抗力。

       DOI：10.12110/firstfmge.20171121.121