1.本发明属于高温合金研究方法技术领域，涉及一种多组元高温合金体系元素互扩散和相变规律的研究方法。
背景技术：
2.高温合金是航空发动机中广泛应用的材料。为获得足够高的高温强度，高温合金中通常加有五种以上合金元素，每种合金元素对高温合金的相变规律和元素互扩散行为规律都有很大影响，直接影响合金性能。要获得稳定、可靠的性能数据，就必须掌握合金中元素互扩散规律和相变规律，但由于高温合金体系复杂，并且合金元素间也相互影响，因此研究难度很大。
3.通常情况下，研究具有特定成分特点高温合金元素互扩散规律和相变规律的方法是：根据研究需求设计合金成分并制备高温合金，将合金置于特定条件下进行扩散热处理，分析扩散温度及时间对元素分布的影响，进而研究合金中的元素扩散规律；将合金置于特定条件下进行时效处理，分析合金相变规律；综合分析上述实验结果，获得相应高温合金中元素互扩散规律和相变规律。通常，高温合金中合金元素种类多、每种合金元素浓度范围大，使用上述传统的研究方法只能研究单一成分的合金，若要研究一定成分范围的合金体系，必须制备大量的合金试样，不但周期长、成本高，而且对于不同成分的试样，制备过程的微小差异就可能影响实验结果，干扰最终分析、判断的准确性。
技术实现要素：
4.本发明的目的是：提供一种多组元高温合金体系元素互扩散和相变规律的研究方法，可以使用少量试样高效获取合金体系中绝大多数合金元素的扩散规律，以及在较宽并且连续的成分范围内合金的相变规律，为已有高温合金的优化和新型高温合金的研发提供有力的技术支撑。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种多组元高温合金体系元素互扩散和相变规律的研究方法，所述的研究方法步骤包括：
7.(1)合金制备：根据研究需求设计合金成分，按照所设计的成分配料、熔炼，并进行均匀化热处理，确保合金元素在合金中均匀分布；
8.(2)选取纯金属材料：准备待研究的合金元素对应的单质块体材料；为避免杂质元素干扰，单质块体材料纯净度越高越好。
9.(3)制成扩散偶：均匀化热处理后的合金与纯金属制成扩散偶，至于待进行扩散规律研究所对应的温度下进行扩散热处理；
10.(4)得到互扩散规律：测试(3)完成扩散热处理的扩散偶试样扩散层中微区成分随位置深度的变化，计算获得扩散热处理温度对应的每种合金元素扩散动力学参量，获得不同浓度梯度的微区成分的扩散规律；
11.(5)得到相变规律：将(3)完成扩散热处理的扩散偶试样置于待研究相变规律的温度下进行时效热处理；测试完成时效热处理的扩散偶试样扩散层中微区成分及其对应的合金组织，分析扩散层对应成分范围内的热力学参量，得到相变规律。
12.优选的，步骤(1)中设计的合金成分中，所有合金元素原子百分比均大于0.5％
13.优选的，步骤(2)所述纯物质块体材料的纯净度不低于99.5％。
14.优选的，步骤(3)所述均匀化热处理温度为合金固相线温度以下10℃至固相线的温度范围。
15.优选的，此均匀化热处理温度在合金固相线温度以下10℃至固相线的温度范围，保温时间为10h以上。
16.优选的，完成步骤(3)所述扩散热处理后，纯物质对应合金元素的扩散距离不少于100μm。
17.优选的，步骤(5)所述时效热处理温度不高于该合金体系使用温度上限。
18.优选的，步骤(5)所述时效热处理时间大于500小时。
19.优选的，时间大于500小时，且在结束前100小时内析出相的含量变化不超过1％。
20.优选的，步骤(4)和步骤(5)所述的位置深度指自扩散偶接触表面向合金内部或纯物质内部的垂直距离，两测试点的深度间距不大于20μm。
21.优选的，步骤(4)和步骤(5)所述的微区成分测试方法，检测束斑直径大于2μm，单次检测结果中所有元素测量值总误差小于
±
2％。
22.优选的，步骤(3)所述扩散热处理和步骤(5)所述时效热处理环境为真空环境。
23.高温合金通常含有五种以上合金元素，这些合金元素在宏观、介观、微观各个尺度相互作用，直接影响到合金组织演变规律，进而显著影响合金的使用性能。若要揭示合金组织演变影响规律，就必须研究合金元素对合金组织及组织演变的影响规律，以及合金元素在使用温度下的扩散规律。
24.针对合金元素对组织及组织演变的影响规律研究，通常采用的是以一种元素成分为变量，设计含有不同含量此种元素的合金成分，制备后分别进行组织分析，研究此种合金元素对合金组织及组织演变的影响，并获得影响规律。此种方法存在过程复杂、周期长、成本高等问题。
25.针对合金元素扩散规律研究，通常采用热处理前存在元素偏析的合金，置于扩散温度下保温，使合金元素扩散一定时间后，分析合金中不同位置的微区成分，进而研究合金元素扩散规律。此种方法存在的问题是，合金各个位置都存在多种合金元素同时向各个方向扩散，存在严重的交互作用，严重干扰到分析数据的准确性。
26.本专利所涉及方法，针对待研究的高温合金设计研究用合金成分，按设计的成分制备后进行均匀化热处理，确保合金成分均匀。将制得的成分均匀的合金与拟研究的元素所对应的单质制成扩散偶，置于高温下保温，使单质对应的元素向合金内部扩散，同时合金中的多种合金元素同时向单质内部扩散。扩散完成后，在扩散偶界面向单质内部的方向上，扩散有合金中所含有的合金元素，且根据元素浓度和扩散速率的不同，形成不同的浓度梯度；同时，在扩散偶界面向合金内部的方向上，则形成了单质元素浓度不同的浓度梯度。
27.将上述完成扩散的扩散偶中原合金部分至于较低的温度下进行保温，此保温温度应不超过合金的最高使用温度(通常，合金在使用温度下，合金元素不会发生明显扩散，因
此元素扩散可以忽略)。保温足够长时间后，由于原扩散偶界面向合金内部不同深度位置的微区成分不同，特别是扩散偶单质所对应的元素，在合金表面向内形成了连续的浓度梯度，这会使得不同深度位置发生不同的固态相变，且主要为单质元素对应的浓度影响。通过研究不同深度位置对应的微区成分、相组成，可获得单质元素对应的合金成分对所研究的高温合金相变的影响规律。
28.分析上述扩散偶界面向原单质内部不同深度的微区成分，可获得自扩散偶界面向单质内部的浓度曲线，进而获得扩散温度下合金成分对应的所有合金元素在单质中的扩散行为规律。
29.本发明与现有技术相比，具有以下技术优点：
30.本发明提供一种多组元高温合金体系元素互扩散和相变规律的研究方法，将扩散偶技术应用于高温合金研究，并结合高温合金材料体系特点详细说明了研究过程所涉及的温度、时间、测试方法等，其特点为：
31.(1)本发明可快速获取多组元高温合金中每种合金元素在特定合金体系中的互扩散参量，以及在较宽的元素浓度范围多组元高温合金热力学参量，研究对象不受合金元素种类和数量限制，结果可直接用于所研究的合金体系，具有很高的研究效率。
32.(2)本发明可基于特定合金体系的成分特点设计研究用高温合金成分，研究结果不仅可以用于单一成分的高温合金，还可应用于一定成分范围内的合金体系，更具有实用价值。
33.(3)本发明可同时研究合金体系中绝大多数合金元素的互扩散动力学规律，显著提高元素互扩散动力学研究效率。
34.(4)本发明采用少量试样即可完成所选高温合金体系在较宽成分范围内的相变规律研究，显著提高热力学研究效率。
35.(5)本发明避免了使用多个试样进行研究时，试样制备及实验过程微小差异所引入的干扰因素，保证了数据的准确性和可靠性。
36.(6)本发明研究周期短、成本低、结果可靠，效果显著优于传统研究方法。
具体实施方式
37.实施例1
38.研究某镍基高温合金体系中元素互扩散规律和相变规律，该高温合金中除基体元素ni，还含有al、co、cr、mo、nb、re、ru、ta、w、ni等合金元素，成分范围见表1。
39.表1研究用镍基高温合金成分(原子百分比)
40.元素alcocrmonbrerutawni偏析161843.51.52.54.53.53.5余量
41.对于该高温合金体系，添加cr元素可以有效提高合金耐热腐蚀性，然而，当合金中含有re和ru元素时，cr含量增加很容易导致有害相tcp析出，cr元素的添加量需经过细致的研究后才可确定。因此，选择cr为扩散偶中单质金属进行重点研究。因此准备纯cr，纯度为99.5％。
42.按表1成分制备高温合金，合金固相线温度为1320℃，将合金置于1315℃下均匀化热处理50小时。完成均匀化热处理后，去除表面热影响层，使用电子探针分析试样距表面10
μm处微区成分以及试样中心位置微区成分(检测束斑直径5μm)，确定两个位置微区成分一致。
43.将完成均匀化热处理的试样和纯cr制成扩散偶，置于1300℃下进行50小时的扩散热处理。完成扩散热处理后，使用电子探针垂直于扩散偶接触面向纯cr侧和高温合金侧每10μm测试一次微区成分，测试束斑直径3μm，根据所得结果可知cr在高温合金中的扩散距离为125μm。分析试样中每种合金元素在扩散层不同深度位置的浓度，根据扩散距离和扩散时间，计算获得合金元素在上述扩散温度、扩散时间内对应的扩散速度，由此获得所有合金元素的互扩散系数和在1300℃下的互扩散规律。
44.由于所研究高温合金体系使用最高温度为1140℃，选择1000℃作为时效热处理温度。将完成扩散热处理的扩散偶试样置于1000℃下进行900小时和1000小时的长期时效热处理，使用扫描电子显微镜分析两个试样中析出相含量差异为0.2％，不大于1％。使用电子探针测试长期时效1000小时后试样的扩散层组织变化，以及对应微区成分。由于长期时效后扩散层不同深度位置的合金组织会因为微区成分不同而有所差异，通过分析扩散层不同深度处的微区成分，以及对应位置的合金组织，即可获得所研究高温合金扩散层成分范围内的组织演变规律，即相变规律。
45.实施例2
46.研究某镍基高温合金中元素互扩散规律和相变规律，该高温合金中含有al、co、cr、hf、mo、ni、re、w、ta，成分见表2。
47.表2研究用镍基高温合金成分(原子百分比)
48.元素alcocrhfmoretawni偏析137.54.20.031.31.52.62.2余量
49.该合金中，hf的原子百分比不足0.5％，因此hf忽略不计。
50.对于该高温合金体系，添加w元素可以有效提高合金高温强度，然而，w含量增加很容易导致有害相tcp析出，其添加量需经过细致的研究后才可确定，因此，选择w为扩散偶中单质金属进行重点研究。准备纯w，纯度大于99.6％。
51.按表2成分制备高温合金，合金固相线温度为1350℃，将合金置于1345℃下均匀化热处理20小时。完成均匀化热处理后，去除表面热影响层，使用电子探针分析试样距表面10μm处微区成分以及试样中心位置微区成分(检测束斑直径5μm)，确定两个位置微区成分一致。
52.将完成均匀化热处理的试样和纯w制成扩散偶，置于1120℃下进行20小时的扩散热处理。完成扩散热处理后，使用电子探针垂直于扩散偶接触面向纯w侧和合金侧每10μm测试一次微区成分，测试束斑直径3μm，根据所得结果可知w在高温合金中的扩散距离为100μm。分析试样中每种合金元素在扩散层中的浓度分布曲线，进而获得所有合金元素的互扩散系数和在1100℃下的互扩散规律。
53.为研究合金在1070℃的相变规律，将完成扩散热处理的扩散偶试样置于1070℃下进行400小时和500小时的长期时效热处理，使用扫描电子显微镜分析两个试样中析出相含量差异为0.5％，不大于1％。其中分析400小时的试样，仅是为了确认它与500小时的试样的相析出量差异不大于1％。使用电子探针测试长期时效500小时后试样的扩散层组织变化，以及对应微区成分，分析不同微区成分对应的合金组织，进而获得所研究高温合金体系成
分范围内的相变规律。
54.实施例3
55.研究某高温合金体系中元素互扩散规律和相变规律，该高温合金中含有al、co、cr、mo、ti、ta、w、zr、b、ni，其中，zr和b的原子百分比分别为0.05％和0.1％，因此设计的研究用合金成分中忽略zr和b。具体研究用合金成分见表3。
56.表3研究用高温合金成分(原子百分比)
57.元素alcocrmotitawni偏析720152.54.511余量
58.该合金中，al为形成强化相的主要元素，不同的al含量对强化相的形态和强化效果影响显著，因此着重研究al元素对元素扩散规律和相变规律的影响。因此准备纯al，纯度大于99.9％。
59.按表3成分制备高温合金，合金固相线温度为1278℃，将合金置于1268℃下均匀化热处理30小时。完成均匀化热处理后，去除表面热影响层，使用电子探针分析试样距表面10μm处微区成分以及试样中心位置微区成分(检测束斑直径5μm)，确定两个位置微区成分一致。
60.将完成均匀化热处理的试样和纯al制成扩散偶，置于1250℃下进行50小时的扩散热处理。完成扩散热处理后，使用电子探针垂直于扩散偶接触面向纯al侧和高温合金侧每10μm测试一次微区成分，测试束斑直径3μm，根据所得结果可知al在高温合金中的扩散距离为125μm。分析试样中每种合金元素在扩散层中的浓度分布曲线，进而获得所有合金元素的互扩散系数和在1250℃下的互扩散规律。
61.由于所研究高温合金体系使用最高温度为1000℃，选择850℃作为时效热处理温度。将完成扩散热处理的扩散偶试样置于850℃下进行700小时和800小时的长期时效热处理，使用扫描电子显微镜分析两个试样中析出相含量差异为0.4％，不大于1％。使用电子探针测试长期时效800小时后试样的扩散层组织变化，以及对应微区成分，分析不同微区成分对应的合金组织，进而获得所研究高温合金体系成分范围内的相变规律。
62.实施例4
63.研究某高温合金中元素互扩散规律和相变规律，该高温合金中含有al、cr、mo、re、ta、co，成分见表4。
64.表4研究用镍基高温合金成分(原子百分比)
65.元素alcrmoretaco偏析16260.51余量
66.该合金中，re对合金中有害相析出量影响较大，重点研究re对合金元素扩散规律和组织演变的影响。因此准备纯re，纯度大于99.9％。
67.按表4成分制备高温合金，合金固相线温度为1332℃，将合金置于1330℃下均匀化热处理10小时。完成均匀化热处理后，去除表面热影响层，使用电子探针分析试样距表面10μm处微区成分以及试样中心位置微区成分(检测束斑直径5μm)，确定两个位置微区成分一致。
68.将完成均匀化热处理的试样和纯re制成扩散偶，置于1330℃下进行20小时的扩散热处理。完成扩散热处理后，使用电子探针垂直于扩散偶接触面向纯re侧和合金侧每10μm
测试一次微区成分，测试束斑直径3μm，根据所得结果可知re在高温合金中的扩散距离为100μm。分析试样中每种合金元素在扩散层中的浓度分布曲线，进而获得所有合金元素的互扩散系数和在1330℃下的互扩散规律。
69.为研究合金在700℃的相变规律，将完成扩散热处理的扩散偶试样置于700℃下进行600小时和700小时的长期时效热处理，使用扫描电子显微镜分析两个试样中析出相含量差异为0.3％，不大于1％。使用电子探针测试长期时效800小时后试样的扩散层组织变化，以及对应微区成分，分析不同微区成分对应的合金组织，进而获得所研究高温合金体系成分范围内的相变规律。
70.最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。