1、低膨脹高溫合金是基于“因瓦效應(yīng)”和“時(shí)效強(qiáng)化”發(fā)展起來的新型高溫結(jié)構(gòu)材料。利用低膨脹高溫合金制造發(fā)動(dòng)機(jī)部件,可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的間隙控制,降低油耗、提高燃油效率、提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。航空和航天的發(fā)展要求發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度更高,對(duì)低膨脹高溫合金在高溫下的低膨脹性能、高溫抗氧化性能以及在高溫下的力學(xué)性能有了進(jìn)一步的要求,有必要開發(fā)一種新型的抗氧化型低膨脹高溫合金。
　　本文通過計(jì)算過渡金屬元素合金化鐵鎳γ基體、γ′相和β相的轉(zhuǎn)移能,研究了過

2、渡金屬元素在鐵鎳γ基體、γ′相和β相中的占位情況。結(jié)合合金化后體系鐵磁狀態(tài)和順磁狀態(tài)的體積差百分比,篩選獲得了對(duì)基體自發(fā)磁致伸縮體積有利的元素:Sc、Ti、V、Co、Cu、Nb、Ru、Rh、Ag、Cd、Ta和Au。利用第一性原理結(jié)合準(zhǔn)諧德拜模型計(jì)算了過渡金屬合金化γ′相和β相體系在壓強(qiáng)為0GPa不同溫度下的膨脹系數(shù)和體彈性模量,結(jié)合占位情況,分析了過渡金屬元素合金化對(duì)γ′相和β相的膨脹系數(shù)和體彈性模量的影響。分析結(jié)果顯示,在γ′相中加入

3、Nb、Tc、Ru、Rh、Cd、Ti、Co、Mn、Zn、Re、Os和Ta后其膨脹系數(shù)減小,尤其是Ta在高溫情況下膨脹系數(shù)隨著溫度升高的變化緩慢,對(duì)低膨脹高溫合金的膨脹性能有利;Ta、W、Re、Os、Ir、Tc、Ru、Rh、Nb、Mo和Pd的加入降低了β相的膨脹系數(shù)。對(duì)γ′相高溫強(qiáng)度有利的過渡金屬元素有:Ti、Co、V、Cr、Mo、Nb、Ru、Rh、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt和Ta。對(duì)β相高溫強(qiáng)度有利的過渡金屬元素:Co、

4、V、Mo、Nb、Tc、Ru、Rh、W、Ta、Re、Os和Ir。
　　利用第一性原理計(jì)算了合金中的可能存在的Ni3X相。從理論上證明γ′-Ni3Ti可以存在,分析其態(tài)密度發(fā)現(xiàn),Ni和Ti的相互作用在-0.5eV附近產(chǎn)生一個(gè)偽能隙,預(yù)示了合金的鍵擁有共價(jià)鍵特征。費(fèi)米能級(jí)處于反鍵區(qū)域,因此一些電子占據(jù)了反鍵態(tài)。這可能就是γ′-Ni3Ti在室溫下不穩(wěn)定的原因。結(jié)合準(zhǔn)諧德拜模型預(yù)測(cè)了Ni3X相的熱力學(xué)性質(zhì)。
　　通過元素篩選,將體系確

5、定為Fe-Co-Ni-Ta。參照EXP4005和Thermo-span設(shè)計(jì)了6種成分的合金進(jìn)行對(duì)比性實(shí)驗(yàn)。研究合金成分及其含量對(duì)組織和性能的影響。含4wt％Ta的合金在20~650℃的平均膨脹系數(shù)僅僅比不含Ta的膨脹系數(shù)大1.0×10-7。但是,650℃暴露在空氣中100h的氧化增重降低了一倍,并且650℃的高溫抗拉強(qiáng)度由987MPa增加到了1025MPa,屈服強(qiáng)度由783MPa增加到了820MPa;Co的加入升高了低溫下的膨脹系數(shù),降