权利要求
1.一种
镍基粉末高温合金的成分处理方法，其特征在于，所述镍基粉末高温合金的成分处理方法包括：
基于预设的目标性能参数，确定高温合金中目标合金元素的质量百分比范围和步长;
基于所述目标合金元素的质量百分比范围和步长进行高通量计算，得到高通量计算结果，其中，所述高通量计算结果包括所有候选合金成分组合，以及每一所述候选合金成分组合对应的γ'相的体积分数、有害TCP相的平衡析出占比和所有预设力学性能参数;
从所有候选合金成分组合中筛选出目标合金成分组合。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设的目标性能参数包括γ'相固溶温度、合金密度、热膨胀系数、热导率、杨氏模量、剪切模量、γ'相体积分数、反相畴界能、堆垛层错能、错配度、平衡态相体积分数、元素成分的自扩散系数中的至少任意3项。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高温合金中目标合金元素的质量百分比范围为：
Co：14.0~22.0 wt.%、Cr：10.0~14.0 wt.%、Mo：1.5~4.5 wt.%、W: 3.0~6.0 wt.%、Al:2.5~4.5 wt.%、Ti: 2.5~4.5 wt.%、Nb:0.5~5.0wt.%、Ta:0.5~5.0wt.%、Hf：0.1~0.4 wt.%、Zr：0.01~0.1 wt.%、C：0.02~0.05 wt.%、B：0.01~0.04 wt.%、Re：0~2.0 wt.%、Ru：0~2.0wt.%，Ni为余量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从所有候选合金成分组合中筛选出目标合金成分组合，包括：
对所述所有候选合金成分组合进行初筛，得到多个初筛合金成分组合，其中，所述初筛合金成分组合的数量小于所述候选合金成分组合的数量;
将所述多个初筛合金成分组合进行后处理，得到目标合金成分组合。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对所述所有候选合金成分组合进行初筛，得到多个初筛合金成分组合，包括：
基于预设的初筛条件，对所述所有候选合金成分组合进行初筛，得到多个初筛合金成分组合;
其中，所述预设的初筛条件包括：γ'相固溶温度为1165±15 ℃;γ'相体积分数占比为45~60 %;合金密度为7.5~8.5 g/cm3、杨氏模量为140~200 GPa、剪切模量为50~80 GPa、层错能为70~105 J/m2、反相畴界能为0.17~0.23 J/m2、错配度为-0.35~0.35 %、平衡态σ相摩尔比为0~5.0 at.%、平衡态μ相摩尔比为0~5.0 at.%、平衡态η相摩尔比为0~5.0 at.%。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述将所述多个初筛合金成分组合进行后处理，得到目标合金成分组合，包括：
将所述多个初筛合金成分组合进行归一化处理，得到归一化后的多个初筛合金成分组合;
基于预设的优先级，将每一所述初筛合金成分组合进行加权评分计算并按照综合得分进行排序;
选取排序靠前的合金成分组合进行微调优化，得到目标合金成分组合。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标合金元素的数量为多个，所述基于所述目标合金元素的质量百分比范围和步长进行高通量计算，得到所有候选合金成分组合，包括：
基于每一所述目标合金元素的质量百分比范围和步长，确定每一所述目标合金元素的取值个数和各具体取值;
将所有目标合金元素的取值个数进行相乘，得到所述候选合金成分组合的总数;
基于各目标合金元素的具体取值进行笛卡尔积组合，生成全部候选合金成分组合。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
利用热力学计算软件、材料性能模拟软件或者潘达特相图计算软件计算每一所述候选合金成分组合对应的γ'相的体积分数和有害TCP相的平衡析出占比。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述得到目标合金成分组合之后，所述方法还包括：
基于目标合金成分组合，采用氩气雾化法或者旋转电极雾化法制备高温合金粉末;
将高温合金粉末进行筛分处理，得到筛分后的高温合金粉末;
将筛分后的高温合金粉末进行热等静压处理，得到合金胚料，其中，热等静压温度为(Tγ'±50)℃，Tγ'为合金γ'相固溶温度;
将合金胚料依次进行等温锻造以及热处理，得到镍基粉末高温合金;
其中，等温锻造温度为(Tγ'-70)~(Tγ'-20)℃，等温锻造的变形速率为0.0001~0.1s-1，热处理温度为(Tγ'±50)℃。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述得到目标合金成分组合之后，所述方法还包括：
基于目标合金成分组合，采用氩气雾化法或者旋转电极雾化法制备高温合金粉末;
将高温合金粉末进行筛分处理，得到筛分后的高温合金粉末;
将筛分后的高温合金粉末进行热等静压处理，得到合金胚料，其中，热等静压温度为(Tγ'±50)℃，Tγ'为合金γ'相固溶温度;
将合金胚料依次进行热挤压、等温锻造以及热处理，得到镍基粉末高温合金;
其中，等温锻造温度和热挤压温度均为(Tγ'-70)~(Tγ'-20)℃，等温锻造的变形速率为0.0001~0.1s-1，热处理温度为(Tγ'±50)℃。
说明书
技术领域
[0001]本申请涉及粉末高温合金技术领域，尤其涉及一种镍基粉末高温合金的成分处理方法。
背景技术
[0002]镍基粉末高温合金是一类高合金化的奥氏体高温结构材料，因其优异的高温强度、抗蠕变性能、疲劳寿命、抗氧化与耐腐蚀能力以及良好的组织稳定性，被广泛应用于航空发动机、燃气轮机等动力装置的热端关键部件，如涡轮盘、压气机盘、鼓筒轴及高压挡板等。
[0003]传统高温合金的成分设计主要依赖仿制国外先进合金体系或基于经验知识的试错式研发模式。该方法通常以已有合金成分为蓝本，通过少量元素调整并辅以大量“实证”实验进行性能验证。
[0004]然而，这种经验驱动的设计方式，无法准确预测新合金的力学性能及有害相的析出行为，导致研发周期长、成本高、成功率低的问题。
发明内容
[0005]本申请实施例提供了一种镍基粉末高温合金的成分处理方法，旨在解决传统方式因采用仿制或者试错的成分设计方式导致无法准确预测新合金的力学性能及有害相的析出行为，导致研发周期长、成本高、成功率低的问题。
[0006]第一方面，本申请实施例提供了一种镍基粉末高温合金的成分处理方法，所述镍基粉末高温合金的成分处理方法包括：
基于预设的目标性能参数，确定高温合金中目标合金元素的质量百分比范围和步长;
基于所述目标合金元素的质量百分比范围和步长进行高通量计算，得到高通量计算结果，其中，所述高通量计算结果包括所有候选合金成分组合，以及每一所述候选合金成分组合对应的γ'相的体积分数、有害TCP相的平衡析出占比和所有预设力学性能参数;
从所有候选合金成分组合中筛选出目标合金成分组合。
[0007]其进一步的技术方案为，所述预设的目标性能参数包括γ'相固溶温度、合金密度、热膨胀系数、热导率、杨氏模量、剪切模量、γ'相体积分数、反相畴界能、堆垛层错能、错配度、平衡态相体积分数、元素成分的自扩散系数中的至少任意3项。
[0008]其进一步的技术方案为，所述高温合金中目标合金元素的质量百分比范围为：
Co：14.0~22.0 wt.%、Cr：10.0~14.0 wt.%、Mo：1.5~4.5 wt.%、W: 3.0~6.0 wt.%、Al: 2.5~4.5 wt.%、Ti: 2.5~4.5 wt.%、Nb:0.5~5.0wt.%、Ta:0.5~5.0wt.%、Hf：0.1~0.4wt.%、Zr：0.01~0.1 wt.%、C：0.02~0.05 wt.%、B：0.01~0.04 wt.%、Re：0~2.0 wt.%、Ru：0~2.0 wt.%，Ni为余量。
[0009]其进一步的技术方案为，所述从所有候选合金成分组合中筛选出目标合金成分组合，包括：
对所述所有候选合金成分组合进行初筛，得到多个初筛合金成分组合，其中，所述初筛合金成分组合的数量小于所述候选合金成分组合的数量;
将所述多个初筛合金成分组合进行后处理，得到目标合金成分组合。
[0010]其进一步的技术方案为，所述对所述所有候选合金成分组合进行初筛，得到多个初筛合金成分组合，包括：
基于预设的初筛条件，对所述所有候选合金成分组合进行初筛，得到多个初筛合金成分组合;
其中，所述预设的初筛条件包括：γ'相固溶温度为1165±15 ℃;γ'相体积分数占比为45~60 %;合金密度为7.5~8.5 g/cm3、杨氏模量为140~200 GPa、剪切模量为50~80GPa、层错能为70~105 J/m2、反相畴界能为0.17~0.23 J/m2、错配度为-0.35~0.35 %、平衡态σ相摩尔比为0~5.0 at.%、平衡态μ相摩尔比为0~5.0 at.%、平衡态η相摩尔比为0~5.0at.%。
[0011]其进一步的技术方案为，所述将所述多个初筛合金成分组合进行后处理，得到目标合金成分组合，包括：
将所述多个初筛合金成分组合进行归一化处理，得到归一化后的多个初筛合金成分组合;
基于预设的优先级，将每一所述初筛合金成分组合进行加权评分计算并按照综合得分进行排序;
选取排序靠前的合金成分组合进行微调优化，得到目标合金成分组合。
[0012]其进一步的技术方案为，所述目标合金元素的数量为多个，所述基于所述目标合金元素的质量百分比范围和步长进行高通量计算，得到所有候选合金成分组合，包括：
基于每一所述目标合金元素的质量百分比范围和步长，确定每一所述目标合金元素的取值个数和各具体取值;
将所有目标合金元素的取值个数进行相乘，得到所述候选合金成分组合的总数;
基于各目标合金元素的具体取值进行笛卡尔积组合，生成全部候选合金成分组合。
[0013]其进一步的技术方案为，所述方法包括：
利用热力学计算软件、材料性能模拟软件或者潘达特相图计算软件计算每一所述候选合金成分组合对应的γ'相的体积分数和有害TCP相的平衡析出占比。
[0014]其进一步的技术方案为，所述得到目标合金成分组合之后，所述方法还包括：
基于目标合金成分组合，采用氩气雾化法或者旋转电极雾化法制备高温合金粉末;
将高温合金粉末进行筛分处理，得到筛分后的高温合金粉末;
将筛分后的高温合金粉末进行热等静压处理，得到合金胚料，其中，热等静压温度为(Tγ'±50)℃，Tγ'为合金γ'相固溶温度;
将合金胚料依次进行等温锻造以及热处理，得到镍基粉末高温合金;
其中，等温锻造温度为(Tγ'-70)~(Tγ'-20)℃，等温锻造的变形速率为0.0001~0.1s-1，热处理温度为(Tγ'±50)℃。
[0015]其进一步的技术方案为，所述得到目标合金成分组合之后，所述方法还包括：
基于目标合金成分组合，采用氩气雾化法或者旋转电极雾化法制备高温合金粉末;
将高温合金粉末进行筛分处理，得到筛分后的高温合金粉末;
将筛分后的高温合金粉末进行热等静压处理，得到合金胚料，其中，热等静压温度为(Tγ'±50)℃，Tγ'为合金γ'相固溶温度;
将合金胚料依次进行热挤压、等温锻造以及热处理，得到镍基粉末高温合金;
其中，等温锻造温度和热挤压温度均为(Tγ'-70)~(Tγ'-20)℃，等温锻造的变形速率为0.0001~0.1s-1，热处理温度为(Tγ'±50)℃。
[0016]本申请实施例提供了一种镍基粉末高温合金的成分处理方法。其中，所述方法包括：基于预设的目标性能参数，确定高温合金中目标合金元素的质量百分比范围和步长;基于所述目标合金元素的质量百分比范围和步长进行高通量计算，得到高通量计算结果，其中，所述高通量计算结果包括所有候选合金成分组合，以及每一所述候选合金成分组合对应的γ'相的体积分数、有害TCP相的平衡析出占比和所有预设力学性能参数;从所有候选合金成分组合中筛选出目标合金成分组合。
[0017]本申请实施例通过基于所述目标合金元素的质量百分比范围和步长进行高通量计算，得到所有候选合金成分组合，以及每一所述候选合金成分组合对应的γ'相的体积分数和有害TCP相的平衡析出占比，也就是说，通过高通量计算，可以准确计算出每一所述候选合金成分组合对应的γ'相的体积分数和有害TCP相的平衡析出占比，基于此，可以从所有候选合金成分组合中快速筛选出能够同时满足优异高温性能和有效抑制有害相析出的目标合金成分组合，从而可以改善传统方式因采用仿制或者试错的成分设计方式导致无法准确预测有害相的析出行为，导致研发周期长、成本高、成功率低的问题。
附图说明
[0018]此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
[0019]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
[0021]图1为本申请提供的一种镍基粉末高温合金的成分处理方法第一实施例的流程示意图;
图2为本申请实施例的合金筛选目标;
图3为本申请实施例的合金参数优先级;
图4为本申请实施例对所有候选合金成分组合进行成分初筛后的示意图。
具体实施方式
[0022]为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0023]下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。
[0024]应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和 “包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0025]还应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0026]还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0027]如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为 “当... 时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
[0028]为了解决传统方式因采用仿制或者试错的成分设计方式导致无法准确预测有害相的析出行为，导致研发周期长、成本高、成功率低的问题，本申请提供了一种镍基粉末高温合金的成分处理方法，能够准确计算出每一所述候选合金成分组合对应的γ'相的体积分数和有害TCP相的平衡析出占比，进而可以从所有候选合金成分组合中快速筛选出能够同时满足优异高温性能和有效抑制有害相析出的目标合金成分组合。
[0029]参阅图1，图1为本申请提供的一种镍基粉末高温合金的成分处理方法第一实施例的流程示意图，所述镍基粉末高温合金的成分处理方法包括以下步骤：
步骤110：基于预设的目标性能参数，确定高温合金中目标合金元素的质量百分比范围和步长。
[0030]步骤120：基于所述目标合金元素的质量百分比范围和步长进行高通量计算，得到高通量计算结果，其中，所述高通量计算结果包括所有候选合金成分组合，以及每一所述候选合金成分组合对应的γ'相的体积分数、有害TCP相的平衡析出占比和所有预设力学性能参数。
[0031]步骤130：从所有候选合金成分组合中筛选出目标合金成分组合。
[0032]该实施例通过基于所述目标合金元素的质量百分比范围和步长进行高通量计算，得到所有候选合金成分组合，以及每一所述候选合金成分组合对应的γ'相的体积分数和有害TCP相的平衡析出占比，也就是说，通过高通量计算，可以准确计算出每一所述候选合金成分组合对应的γ'相的体积分数和有害TCP相的平衡析出占比，基于此，可以从所有候选合金成分组合中快速筛选出能够同时满足优异高温性能和有效抑制有害相析出的目标合金成分组合，从而可以改善传统方式因采用仿制或者试错的成分设计方式导致无法准确预测有害相的析出行为，导致研发周期长、成本高、成功率低的问题。
[0033]参阅本申请提供的一种镍基粉末高温合金的成分处理方法第二实施例，所述镍基粉末高温合金的成分处理方法包括以下步骤：
步骤210：基于预设的目标性能参数，确定高温合金中目标合金元素的质量百分比范围和步长。
[0034]在一些可能的实施方式中，可以是基于工件全生命周期关键要素，构建生产条件、力学性能与服役条件的耦合参数模型，利用耦合参数模型预测出关键筛选目标即预设的目标性能参数，预设的目标性能参数可以包括工艺性参数组、力学性能参数组和组织稳定性参数组。
[0035]其中，所述工艺性参数组表示材料制备工艺的难度，包括制粉工艺性、热等静压成形性、热挤压流动性、等温锻成形窗口及热处理工艺适应性等。可细分为γ'相固溶温度Tγ'、γ'相体积分数fγ'、流变应力σflow、变形激活能Qdef、热膨胀系数α、热传导率、淬裂倾向等。
[0036]力学性能参数组指材料在服役条件下的综合性表现，包括强度、塑性、蠕变抗力、裂纹扩展抗力、疲劳寿命、抗冲击性能、抗氧化性能等。其中各性能指标通过合金显微组织特征参数进行关联计算，具体包括杨氏模量E、剪切模量G、γ'相体积分数fγ'、反相畴界能γAPB、堆垛层错能γSF、错配度δ、元素扩散激活能Qdiff、固溶强化贡献Δσsolution等;
组织稳定性指材料在长期服役过程中显微组织的稳定性，具体包括γ'相体积分数fγ'、γ'相尺寸和形貌、TCP相体积分数、元素扩散激活能、抗氧化性、抗腐蚀性等。
[0037]基于此，在一些可能的实施方式中，所述预设的目标性能参数包括γ'相固溶温度、合金密度、热膨胀系数、热导率、杨氏模量、剪切模量、γ'相体积分数、反相畴界能、堆垛层错能、错配度、平衡态相体积分数、元素成分的自扩散系数中的至少任意3项。
[0038]在一些可能的实施方式中，所述高温合金中目标合金元素的质量百分比范围为：
Co：14.0~22.0 wt.%、Cr：10.0~14.0 wt.%、Mo：1.5~4.5 wt.%、W: 3.0~6.0 wt.%、Al: 2.5~4.5 wt.%、Ti: 2.5~4.5 wt.%、Nb:0.5~5.0wt.%、Ta:0.5~5.0wt.%、Hf：0.1~0.4wt.%、Zr：0.01~0.1 wt.%、C：0.02~0.05 wt.%、B：0.01~0.04 wt.%、Re：0~2.0 wt.%、Ru：0~2.0 wt.%，Ni为余量。
[0039]对上述高温合金中目标合金元素的质量百分比范围的设置进行以下说明：
对于Al，由于Al是γ'相基本形成元素，与Ni共同形成有序结构的Ni3Al型沉淀强化相，且Al的原子质量相对较轻，随着Al的质量占比增加，γ'相体积占比会明显提高，而γ'相体积占比提高有利于降低材料密度。
[0040]其次，由于Al在高温下能形成保护性的氧化膜，提高了合金的抗氧化性能，因此，将Al的质量百分比范围设置为2.5~4.5 wt.%。
[0041]Co是重要的固溶强化元素，一方面，Co 与 Ni 可高度互溶，显著增强γ基体的固溶强化效果;同时，Co能有效降低γ基体与γ'强化相之间的晶格错配度，抑制高温服役过程中 γ'相的粗化行为，有利于保持析出相的均匀分布与热稳定性。此外，Co的添加可降低合金的堆垛层错能(SFE)，促进位错滑移机制由攀移向孪生转变，从而协同提升合金的强度与塑性。
[0042]然而，由于Co也是σ、μ等有害TCP相的重要组成元素之一，过高的Co含量可能促进有害TCP相析出，损害合金的长期组织稳定性与韧性。因此，将 Co 的质量百分比质量百分比范围设定为14.0~22.0 wt.%，以在保证良好力学性能的同时，有效控制有害TCP相的析出倾向。
[0043]Cr是重要的固溶强化元素，虽然Cr能在表面形成致密的氧化铬保护膜，显著提高材料在高温和腐蚀环境下的抗氧化与抗腐蚀能力。然而，Cr也是有害TCP相的关键组成元素之一，而TCP相具有高硬度、低韧性，易导致合金脆化，损害长期服役性能。此外，Cr元素与基体间存在一定的晶格错配度，过高的含量会促进TCP相析出并加剧组织不稳定性，因此，将Cr的质量百分比范围设置为10.0~14.0 wt.%。
[0044]Mo是固溶强化元素，虽然熔点高、自扩散系数小，有助于基体组织的稳定，抵抗元素扩散型蠕变，但Mo是μ相的主要组成元素。考虑到固溶强化效果、加工硬化率和TCP相占比，将Mo的质量百分比范围设置为1.5~4.5wt.%。
[0045]W是固溶强化元素，虽然有极高的熔点和较大的原子半径，偏聚在层错上能抑制孪晶变形，从而显著增强合金的高温力学性能。但W会提高固溶温度、增加密度、促进TCP相析出，因此，将W的质量百分比范围设置为3.0~6.0wt.%
Nb能取代γ'相中的Al，由于Nb的熔点远高于Al，因此，Nb的加入能提高γ'相的高温稳定性，并且，Nb在层错上的偏聚可诱发微区相变，抑制层错增厚，抵抗孪晶变形。但是，Nb不利于合金的抗氧化效果，且会促进TCP相形成。因此，将Nb的质量百分比范围设置为0.5~5.0wt.%。
[0046]Ta与Nb位于同一主族，具有相似的化学性质，在高温合金中的作用与Nb类似。但Ta的熔点显著高于Nb，合金化后能抑制γ'相在高温阶段溶解，抗氧化效果也更好，但是，Ta的原子质量是Nb的两倍，在质量比相同的情况下，原子数量只有Nb的一半，因此，将Ta的质量百分比范围设置为0.5~5.0wt.%。
[0047]Ti的熔点远高于
铝，能提高γ'相的高温稳定性，这也意味着，当Al+Ti的质量比总量为固定时，改变Al/Ti质量比可以明显改变γ'相的析出行为，可以有效调控γ'相的固溶温度，因此，将Ti的质量百分比范围设置为2.5~4.5wt.%。
[0048]铪(Hf)具有高熔点和较大的原子半径，是粉末高温合金中关键的晶界强化元素，Hf可与碳(C)结合形成高熔点的MC型碳化物(如HfC)，这类析出相具有优异的热稳定性，能够有效钉扎晶界，抑制晶界滑移和晶粒长大，从而改善合金的抗蠕变和疲劳性能。
[0049]然而，Hf与基体中的主要合金元素(如Ni、Co、Cr等)互溶性差，且易在凝固过程中偏析，当含量过高时可能引发脆性相析出或组织不均匀，反而损害合金的塑性和韧性。因此，为兼顾晶界强化效果与组织均匀性，将Hf的质量百分比范围限定在0.1~0.4wt.%，以实现晶界优化强化与工艺稳定性的平衡。
[0050]Zr与C和B形成的碳化物和硼化物优先在晶界析出，能够抑制高温晶界滑移，并抑制晶界连续分布的M23C6型碳化物，因此，将Zr的质量百分比范围设置为0.01~0.1wt.%。
[0051]B是常用的晶界强化元素，偏析于晶界处，能够提高合金蠕变性能，但过量的B能形成低熔点共晶产物从而对材料性能有害，因此，将B的质量百分比范围设置为0.01~0.04wt.%。
[0052]C是高温合金中重要的晶界改性元素，其主要作用是形成MC型碳化物，强化晶界，但由于过量的C会促使M23C6型碳化物或M6C型碳化物形成。因此，将C的质量百分比范围设置为0.02~0.05wt.%。
[0053]铼(Re)和钌(Ru)是高温合金中重要的难熔元素，具有显著的固溶强化作用。Re和Ru倾向于富集于面心立方γ基体相中，凭借其极高的自扩散激活能，有效降低原子扩散速率。同时，它们在基体中可促进形成纳米尺度的溶质原子团簇，显著抑制以扩散机制为主的高温蠕变行为，从而提升合金的高温强度与抗蠕变性能。
[0054]然而，由于Re元素资源稀缺、原材料成本极高，过量添加将大幅增加合金的制造成本，不利于工程化应用，因此，将Re和Ru的质量百分比范围设置为0~2.0 wt.%。
[0055]步骤220：基于所述目标合金元素的质量百分比范围和步长进行高通量计算，得到高通量计算结果，其中，所述高通量计算结果包括所有候选合金成分组合，以及每一所述候选合金成分组合对应的γ'相的体积分数、有害TCP相的平衡析出占比和所有预设力学性能参数。
[0056]在一些可能的实施方式中，所述目标合金元素的数量为多个，所述基于所述目标合金元素的质量百分比范围和步长进行高通量计算，得到所有候选合金成分组合，包括：
步骤221：基于每一所述目标合金元素的质量百分比范围和步长，确定每一所述目标合金元素的取值个数和各具体取值。
[0057]步骤222：将所有目标合金元素的取值个数进行相乘，得到所述候选合金成分组合的总数。
[0058]步骤223：基于各目标合金元素的具体取值进行笛卡尔积组合，生成全部候选合金成分组合。
[0059]示例性地，比如，目标合金元素为Mo、Nb、Ta和W，Mo的质量百分比范围为1.5~2.5wt.%，步长为0.25，则Mo的取值个数为5个，分别为1.5、1.75、2.0、2.25、2.5，Nb和Ta的质量百分比范围和步长同Mo一样，W的质量百分比范围为4.9~5.1wt.%，步长为0.1，则W的取值个数为3个，基于此，生成的全部候选合金成分组合为5*5*5*3=375个。
[0060]在一些可能的实施方式中，可以利用热力学计算软件(Thermo-Calc)、材料性能模拟软件(JMatPro)或者潘达特相图计算软件(Pandat)等计算每一所述候选合金成分组合对应的γ'相的体积分数和有害TCP相的平衡析出占比。
[0061]其中，有害TCP相包括但不局限于σ相、μ相和η相。
[0062]步骤230：从所有候选合金成分组合中筛选出目标合金成分组合。
[0063]在一些可能的实施方式中，所述从所有候选合金成分组合中筛选出目标合金成分组合即步骤230，可以包括以下步骤：
步骤231：对所述所有候选合金成分组合进行初筛，得到多个初筛合金成分组合，其中，所述初筛合金成分组合的数量小于所述候选合金成分组合的数量。
[0064]在一些可能的实施方式中，所述对所述所有候选合金成分组合进行初筛，得到多个初筛合金成分组合，包括：基于预设的初筛条件，对所述所有候选合金成分组合进行初筛，得到多个初筛合金成分组合。
[0065]其中，所述预设的初筛条件包括：γ'相固溶温度为1165±15 ℃;γ'相体积分数占比为45~60 %;合金密度为7.5~8.5 g/cm3、杨氏模量为140~200 GPa、剪切模量为50~80GPa、层错能为70~105 J/m2、反相畴界能为0.17~0.23 J/m2、错配度为-0.35~0.35 %、平衡态σ相摩尔比为0~5.0 at.%、平衡态μ相摩尔比为0~5.0 at.%、平衡态η相摩尔比为0~5.0at.%。
[0066]其中，上述初筛条件中的各项参数均通过计算获得。通过从高通量计算结果中筛选出满足这些初筛条件的合金组合，可显著提升筛选效率。
[0067]步骤232：将所述多个初筛合金成分组合进行后处理，得到目标合金成分组合。
[0068]在一些可能的实施方式中，所述将所述多个初筛合金成分组合进行后处理，得到目标合金成分组合，包括：
1)将所述多个初筛合金成分组合进行归一化处理，得到归一化后的多个初筛合金成分组合;
2)基于预设的优先级，将每一所述初筛合金成分组合进行加权评分计算并按照综合得分进行排序;
3)选取排序靠前的合金成分组合进行微调优化，得到目标合金成分组合。
[0069]基于以上实施例，当镍基粉末高温合金的成分设计好之后，则可以采用以下方式一制备镍基粉末高温合金，具体参阅以下步骤：
步骤311：基于目标合金成分组合，采用氩气雾化法或者旋转电极雾化法制备高温合金粉末。
[0070]步骤312：将高温合金粉末进行筛分处理，得到筛分后的高温合金粉末。
[0071]步骤313：将筛分后的高温合金粉末进行热等静压处理，得到合金胚料，其中，热等静压温度为(Tγ'±50)℃，Tsol为合金γ'相固溶温度。
[0072]步骤314：将合金胚料依次进行等温锻造以及热处理，得到镍基粉末高温合金。
[0073]其中，等温锻造温度为(Tγ'-70)~(Tγ'-20)℃，等温锻造的变形速率为0.0001~0.1s-1，热处理温度为(Tγ'±50)℃。
[0074]在一些可能的实施方式中，镍基粉末高温合金的制备工艺还可以包括热挤压处理，具体可以采用以下方式二制备镍基粉末高温合金，具体参阅以下步骤：
步骤411：基于目标合金成分组合，采用氩气雾化法或者旋转电极雾化法制备高温合金粉末。
[0075]步骤412：将高温合金粉末进行筛分处理，得到筛分后的高温合金粉末。
[0076]步骤413：将筛分后的高温合金粉末进行热等静压处理，得到合金胚料，其中，热等静压温度为(Tγ'±50)℃，Tγ'为合金γ'相固溶温度。
[0077]步骤414：将合金胚料依次进行热挤压、等温锻造以及热处理，得到镍基粉末高温合金。
[0078]其中，等温锻造温度和热挤压温度均为(Tγ'-70)~(Tγ'-20)℃，等温锻造的变形速率为0.0001~0.1s-1，热处理温度为(Tγ'±50)℃
在一些可能的实施方式中，上述制备的镍基粉末高温合金可以用于航空发动机及燃气轮机热端部件，包括涡轮盘、压气机盘、鼓筒轴或涡轮盘高压挡板等。
[0079]基于以上实施例，本申请提供的镍基粉末高温合金的成分处理方法，主要包括设立筛选参数;确立元素成分范围及计算步长;高通量计算;成分初筛以及成分终调。
[0080]示例性地，本申请以选取错配度以及TCP相占比(包括平衡态σ相摩尔比、平衡态μ相摩尔比、平衡态η相摩尔比)作为预设的目标性能参数进行举例说明，则确定高温合金中目标合金元素的质量百分比范围和步长为：Al、Co、Cr、Hf、Ti、Zr、B、C的含量分别固定为3.2wt.%、19 wt.%、13 wt.%、0.2 wt.%、3.7 wt.%、0.03 wt.%和0.05 wt.%，Mo、Nb、Ta的计算范围为1.5~2.5 wt.%，计算步长0.25 wt.%。W的计算范围为4.9~5.1 wt.%,计算步长0.1wt.%。
[0081]采用热力学软件JMatPro(v7.0)进行高通量计算，得到所有候选合金成分组合。
[0082]对所有候选合金成分组合进行成分初筛。
[0083]其中，采用的预设的初筛条件可以为：γ'相固溶温度为1165±10 ℃;γ'相体积分数占比为50~60 %;在700~800℃范围内，合金密度为7.9~8.2 g/cm3、热膨胀系数为14~16*(10E-6) /K、热导率为19~22 W/mK、杨氏模量为165~185 GPa、剪切模量为60~70GPa、层错能为70~105 J/m2、反相畴界能为0.18~0.21J/m2、错配度为0.1~0.35 %、平衡态σ相摩尔比为0~3.5 at.%、平衡态μ相摩尔比为0~3.5 at.%、平衡态η相摩尔比为0~3.5 at.%。
[0084]根据图2和图3所示的筛选目标设立参数优先级，以及建立加权算法对高通量计算结果进行排序，从300多款候选合金成分组合中进行初筛，优选出6款合金成分组合，如图4所示。
[0085]最后，结合合金使用场景或力学性能的配置进行成分微调，从6款合金进行微调优化，得到目标合金成分组合。
[0086]如此，本申请提供的镍基粉末高温合金的成分处理方法，具有以下有益效果：
1、能够根据涡轮盘等关键部件的具体服役条件(如温度区间、应力水平、寿命要求等)，灵活设定目标性能指标，实现面向应用场景的定制化合金设计。通过多目标协同筛选，可在高强度、高塑性、良好成形性与优异组织稳定性之间实现有效平衡，显著提升合金设计的针对性与适用性。
[0087]2、建立了合金元素成分与宏观性能、微观相行为之间的定量数学模型关系，将γ'相体积分数、有害TCP相析出量、密度、模量等关键参数与成分直接关联，实现了从“经验依赖”向“模型驱动”的转变。该方法不依赖于显微组织的实测数据，可在合金制备前完成性能预测，适用于新合金体系的早期开发。
[0088]3、通过高通量计算与多目标初筛相结合，能够从数以万计的候选成分组合中快速识别出满足性能约束的初筛合金集，显著缩小实验验证范围，有效避免传统试错法中的大量实证与表征工作，大幅降低研发成本与周期，提升材料研发效率。
[0089]4、具有良好的可扩展性与可持续优化能力，可根据新发现的强化机制(如微区相变、梯度析出、纳米孪晶调控、界面工程等)动态调整筛选参数与成分范围，支持随着材料计算理论、热力学数据库及人工智能算法的发展进行迭代升级，适用于未来高性能高温合金的智能化设计需求。
[0090]本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
[0091]在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的。例如，各个单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
[0092]本申请实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。本申请实施例装置中的单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。
[0093]该集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术作出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，终端，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。
[0094]在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0095]显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，尚且本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
[0096]以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
说明书附图(4)
声明：
“镍基粉末高温合金的成分处理方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：深圳市万泽航空科技有限责任公司, 深圳市万泽中南研究院有限公司
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