题目：Ni3Al基单晶合金高温氧化行为及取向与扩散效应研究

Ni3Al基高温合金由于具有密度低，成本低，成分简单以及优异的高温力学性能等特点，逐渐成为涡轮发动机热端部件重要候选材料。国内外在研究开发新型Ni3Al基单晶高温合金方面开展了大量工作，但高力学性能低成本的Ni3Al基单晶合金是以添加了大量不利于抗氧化的强化元素如Mo、W等来实现的，高温抗氧化问题已成为制约Ni3Al基单晶高温合金发展和应用的重要因素之一。本文从这一角度出发，结合第一原理理论计算和实验研究，对一种Ni3Al基单晶高温合金材料（IC21）体系进行了基体成分优化设计。通过理论计算，揭示了关键性因素—扩散和取向对单晶合金抗氧化性的影响规律，并通过系统的实验工作，对Ni3Al基单晶高温合金的抗氧化性能进行了深入和系统的分析，阐明了合金元素Cr对合金抗氧化性能的影响机理。揭示了合金元素在Ni基固溶体中扩散的微观机制，并重点阐明了合金元素在Ni3Al中扩散时原子的择优占位。采用第一原理计算方法从理论上计算了各合金元素在Ni中的扩散系数，得到扩散系数在700K以上的顺序为：DY> DSi>DAl> DCr> DCo> DTa> DMo> DRu> DW> DRe。计算了合金化元素（Mo、Re、Ta、W、Ti、Co、Nb、Ru、Cr、Y)在Ni3Al中扩散时主要的原子占位，Co显示弱的Ni占位倾向，Ru显示弱的Al占位倾向。其他的合金元素在不同浓度和温度下都偏向于占据Al位。研究了取向对单晶Ni3Al抗氧化性的作用机理。计算了O在Ni3Al不同晶面上的吸附类型，以及Ni3Al不同取向上的弹性能，分析了取向对单晶Ni3Al抗氧化性能的影响因素：(1) 短路扩散数量，由于表面致密度的影响，(011)面的短路扩散数量比(001)面多，(111)面短路扩散数量最少；(2) 弹性模量，〈001〉方向弹性模量小于〈011〉方向，〈111〉方向最大；(3) 生成Al2O3稳定性。O与(001)面Al的亲和力比(011)面大，与(111)面亲和力最小。计算了合金元素对单晶Ni3Al不同取向弹性常数的影响，从而表征了合金元素对各取向上扩散效应的影响。Cr会降低单晶Ni3Al合金〈011〉和〈111〉方向的剪切模量，以及〈001〉方向的杨氏模量。Y会减少所有取向上的剪切模量和杨氏模量。因而，Cr降低〈001〉方向上的扩散激活能，而Y降低所有方向上的扩散激活能。结合计算结果，对IC21合金基体进行Cr，Y改性成分设计，研究了改性后的合金在1100和1150 °C的抗氧化性能。研究表明，Cr的添加降低了O在合金中的活度，合金抗氧化性能大幅度提高。1100 °C下，当合金中Mo的含量为12.5 wt%时，添加2 wt% Cr有效的阻止了内氧化析出物和NiMoO4的产生。而4 wt%Cr的添加促进形成了易分解的尖晶石相(Ni(Cr, Al)2O4)的产生，减弱了氧化膜与基体的结合力。在不同的温度下，Cr对合金抗氧化性的影响机制不同。当合金中Mo的含量为10.5wt%时，1100 °C下，随Cr含量提高，合金的抗氧化性能也随之增加，Cr主要起选择性氧化的作用。而1150 °C下随着Cr含量的增加合金抗氧化性能下降，因为1150 °C下Cr氧化生成了挥发性的CrO3，降低了合金的抗氧化性能。阐述了Cr与Mo相互作用机理，得到合金中最佳Cr的添加量在2wt%左右。