摘要：对于具有γ/γ′双相微观组织的铂基高温合金，两相之间的晶格错配度会显著影响晶格共格应变场，进而决定合金的力学性能。本文采用高通量第一性原理计算对有限温度下的晶格错配度进行预测。在300 K下，Pt3Al、Pt3Sc、Pt3Ti、Pt3Zr、Pt3Hf的计算晶格错配度分别为−0.985%、0.525%、−0.316%、1.405%、0.903%。由于Pt3Al与Pt3Hf均具有较高的反相畴界能（APB）和剪切模量，可通过成分调控，将正晶格错配的Pt3Hf与负晶格错配的Pt3Al进行复合，从而优化Pt3(Al1-xHfₓ)合金体系的整体晶格错配度。计算结果表明，Pt3(Al0.625Hf0.375)在300 K时的晶格错配度为−0.154%，且在高温下趋近于零。本文制备了原子百分比为Pt82Al11.25Hf6.75的合金；原位高温X射线衍射测试显示，该合金在298 K、573 K、873 K、1173 K、1473 K下的晶格错配度分别为−0.135%、−0.200%、−0.062%、−0.089%、0.060%，与理论计算值吻合良好。高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）表征证实，γ相与γ′相形成共格界面结构。近零晶格错配度会在γ′析出相周围形成稳定的共格应变场，可有效阻碍位错运动。测试得到Pt82Al11.25Hf6.75合金在1173 K和1473 K下的抗压强度分别为666.6 MPa和186.4 MPa，性能优于现有已报道的铂铝基高温合金。

背景：

铂（Pt）因熔点高、抗氧化性能优异，在姿态控制发动机喷管中得到广泛应用。但纯铂存在一个关键短板：高温抗拉强度偏低，在1473 K时仅为35 MPa，而发动机喷管工况要求材料在1773 K下强度需高于45 MPa。借鉴镍基高温合金的微观组织设计思路，采用γ-FCC基体/γ′-L1₂析出相双相结构，可有效实现铂基高温合金的强韧化。本课题组前期研究已系统探究了合金元素对Pt₃Al强化相及铂基体相的影响规律。若要保证合金高温强度，必须同时满足两个条件：γ′相具备高熔点、γ相与γ′相之间具有低晶格错配度。Hill等人报道了多种含γ/γ′相的铂基高温合金体系，包括Pt-Al-Re、Pt-Al-Ru、Pt-Al-W、Pt-Al-Mo、Pt-Al-Ni、Pt-Al-Ta、Pt-Al-Ti、Pt-Al-Cr等。这类合金在1473 K下强度获得显著提升：由纯铂的35 MPa提升至Pt₈₄.₅Al₁₁.₁Cr₄.₄合金的61.64 MPa。Hüller等人通过调控镍元素含量，进一步优化了Pt-Al-Cr-Ni合金的微观组织：当Ni含量为4 at.%时，晶格错配度为−0.65%，微观组织呈不规则形貌；将Ni含量提升至6 at.%后，晶格错配度降至−0.12%，γ′相呈现规则立方排布。在1573 K、20 MPa条件下，Pt₈₆Al₁₀Cr₄合金蠕变速率为9.9×10−4s−1，而优化后的Pt₇₇Al₁₂Cr₆Ni₅合金蠕变速率降至3×10−7s−1。此外，Rudnik等人研究了不同Ta含量对Pt-Al-Cr合金微观组织的影响：添加9 at.% Ta后，合金晶格错配度由Pt₈₄.₅Al₁₁.₁Cr₄.₄的−0.88%降至Pt₈₄.₇Al₇.₈Cr₄.₇Ta₂.₈的−0.35%，其1473 K下抗压强度提升至109.59 MPa。过大的晶格错配度会加剧γ′相粗化，严重劣化合金高温力学性能；降低晶格错配度有利于提升合金高温抗蠕变性能与应力断裂寿命。

Gornostyrev等人建立了理论模型，用以评估γ/γ′相界面晶格错配度随温度的变化规律。Liang等人基于第一性原理计算，求解了γ相（Ir基体）与γ′相（Ir₃Ti、Ir₃Zr、Ir₃Hf、Ir₃Nb）之间的晶格错配度。此后，Bai等人将正晶格错配γ′相（Ir₃V）与负晶格错配 γ′相（Ir₃Ti、Ir₃Zr、Ir₃Hf、Ir₃Nb、Ir₃Ta）进行复合配比，进一步实现晶格错配度的调控优化。研究表明，将Ir₃V与Ir₃Zr复合后，Ir基体与Ir₃Zr之间的晶格错配度由2.4%降至−0.05%。Pt₃Al是目前常用的γ′强化相，熔点为1829 K，难以满足合金1773 K的服役温度要求。只有采用高熔点γ′相，才能保证合金具备高服役温度。Pt₃Hf熔点高达2273 K。Fairbank等人研究发现，Pt-Rh-Hf合金中的γ′相在1473 K下强度可达273 MPa。但目前关于铂基高温合金晶格错配度的实验研究数据仍十分匮乏。因此，本文通过评估晶格错配度的温度依赖性，为铂基高温合金的成分设计提供理论指导，并设计制备了一种新型铂基高温合金，对其微观组织与高温抗压强度开展了表征研究。

该项研究成果以“Tuning γ/γ′lattice misfit to discover Pt-Al-Hf superalloys with superior high-temperature compressive strength”为题，在线发表于国际期刊《Journal of Materials Science & Technology》。昆明理工大学材料科学与工程学院种晓宇、昆明理工大学冶金与能源工程学院刘兴军，中国科学院应用物理与计算数学研究所计算物理实验室高兴誉为该论文通讯作者。该研究工作获得了云南省重大研发计划项目（编号：202402AB080007和202302AB080021）；云南省重大研发计划（编号：202403AA080016）；云南贵金属实验室有限公司重大研发项目（编号：YPML-2023050205）；云南省基础研究项目（编号：202301BE070001-031）的资助。

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030226002860?via%3Dihub

图1Pt3X的(a)凸包、(b)反相边界(APB)、(c)剪切模量和(d)熔点；(e)筛选Pt3X。

图2 Pt3X在有限温度下的热力学性质，包括(a)热膨胀系数、(b)Grüneisen常数、(c)体积模量和(d)剪切模量。

图3晶格失配作为温度的函数，包括(a)TEC的晶格失配，(b)成分变化引起的晶格失配，(c)无约束的晶格失配，以及(d)受约束的晶格失配。

图4(a)Pt82Al11.25Hf6.75合金在室温压缩变形下的高分辨率TEM（HRTEM）图像；(b)FFT衍射图案；(c)(100)个点的IFFT图像；(d)γ′相的EDS图；(e) (a)界面区域对应的HRTEM图像，用红框标记。

图5 Pt82Al11.25Hf6.75合金不同角度的原位高温X射线衍射图，其中(a)20°≤2θ≤90°，(b)38°≤2θ≤47°，(c)83°≤2θ≤87°；(d)Pt82Al11.25Hf6.75合金的热流曲线；(e)Pt82Al11.25Hf6.75合金在不同温度下的晶格失配。

图6(a)Pt82Al11.25Hf6.75在不同温度下的应力—应变曲线；有限温度下Pt基高温合金的(b)压缩强化和(c)压缩强度与晶格失配的关系。

图7(a, b)Pt82Al11.25Hf6.75合金室温压缩变形的TEM明场(BF)照片；(c, h)微观结构，(d, i)HRTEM图像，(e–g)和(j–l)纳米级γ′相和微米级γ′相界面的FFT衍射图。

图8(a)Pt82Al11.25Hf6.75在1173 K压缩变形下的TEM图像；(b)γ′相的显微组织；(c)γ相与微米级γ′相界面的显微组织；(d)γ相与纳米级γ′相界面的显微组织。

图9(a)纳米压痕曲线，(b)杨氏模量，(c)γ相GSFE曲线和(d)γ′相APB曲线。

图10(a)强化机制与颗粒半径的函数关系以及(b)强度贡献。

结论：

本文基于凸包相图、反相畴界能、剪切模量与熔点筛选出潜在γ′相化合物，包括Pt₃Al、Pt₃Sc、Pt₃Ti、Pt₃Zr和Pt₃Hf。进一步将具有正、负晶格错配度的γ′相进行组元复合，设计出Pt₃(Al₀.₈₇₅Hf₀.₁₂₅)、Pt₃(Al₀.₇₅Hf₀.₂₅)、Pt₃(Al₀.₆₂₅Hf₀.₃₇₅)、Pt₃(Al₀.₅Hf₀.₅)等配比体系，用以实现晶格错配度的优化调控。成分变化对晶格错配度温度依赖性的影响，远大于热膨胀的贡献。其中Pt₃(Al₀.₆₂₅Hf₀.₃₇₅)的晶格错配度近于零且呈负错配，有利于提升合金强度。本研究制备了名义成分为Pt₈₂Al₁₁.₂₅Hf₆.₇₅（原子百分比）的合金，其γ相与γ′相形成共格组织结构。该合金在室温、1173 K、1473 K下的抗压强度分别为2017.2 MPa、666.6 MPa、186.4 MPa，在所有铂铝基高温合金中表现出优异的力学性能。