Vol.25No.1 董建新等：热等静压扩散连接反应层元素互扩散的动力学模拟计算 37 有关的热力学信息，得到不同类型的平衡及相 m比实验测定的富集区~20m要宽些，但其趋 图，为此，采用DICTRA与THERMO-CALC相结 势是一样的，说明在结合界面处形成了A1的上 合，后者处理DICTRA所需的所有热动力学计 坡扩散流.这可能是由于扩散过程中元素的互作 算.图1为DICTRA软件的基本计算原理图，它具 用使得A1原子的化学位发生了改变，形成化学 有四种模型，即扩散方程的解、热动力学平衡的 位梯度，驱使单晶侧A1原子沿化学位梯度方向 计算，流量平衡方程的计算、相界面位置的替换 上坡扩散.由于扩散偶中的DD402单晶的A]浓 与格点的调整等，计算过程中将要调用热力学数 度高于Rene95侧，所以其化学位梯度方向与浓度 据库和动力学数据库.除此之外，软件还提供预 的方向相反 处理模块和后处理输出模块) 6.00 5.50 流量平衡方程 +反应速度 5.00 扩散方程 局部平衡 V)M 4.50 4.00 dG 动力学 dr 吉布斯自由能 3.50 模拟结果 试验结果 3.00L -150-100-50 0 50100150 动力学 数据 热力学 d/um 图1 DICTRA--THERMO-CALC软件的基本原理 图2HIP扩散连接反应层A!元素互扩散成分分布图 Fig.1 Basic diagram of the DICTRA-THERMO-CALC Fig.2 Composition curves of Al under 103 MPa at 1 120C program for 3 h.The dish line as the experimental results" 模拟对象为DD402单晶和Rene95粉末高温 合金（实验尺寸15mm×30mm×35mm)经1120℃/ 而其他元素则不然，图3为Cr,Co,Mo,Nb, l03MPa条件下热等静压3h,两合金的化学成分 Ti和W元素在同样条件下经热等静压扩散连接 见表1，详细的HPT艺过程请参照文献[6] 工艺处理后其元素互扩散区元素扩散的模拟计 算和实际实验结果.从中可以看出，模拟结果与 表】实验合金的化学成分 实测结果吻合得较好.图3中的这些元素与A1不 Table 1 Chemical composition of the tested alloys% 同，其扩散的驱动力为浓度梯度，模拟计算过程 合金 C Al Cr Co Mo 中也没有出现类似于A1元素的上坡扩散.相同 DD402≤0.004 5.337.39 4.74 0.64 Rene95 0.06 3.5 12.96 8.17 3.34 的是，在结合界面处元素均发生了明显的互扩 合金 Ta Nb Ti Ni 散，并且形成了一个元素互扩散区，宽度为 DD4025.87 1.06 7.76 bal 100-140um左右.由于各元素的扩散能力不同， Rene95 3.32 2.66 3.38 bal 所形成的扩散区略有不同，Cr的扩散范围~80 m,W和Mo由于扩散速度较慢，所以它们的扩 2模拟结果 散范闱较窄，为~65μm,Nb的扩散主要集中在 图2为两合金经1120℃103MPa/3h热等静 Rene95一侧，其扩散范围为~70μm,Co的扩散范 压后反应区A!元素的成分分布图，图中左侧为 围为-80μm. DD402单晶，右侧为Rene95粉末高温合金.从图 从上述的模拟计算结果可以看出，热等静压 中可以看出，在结合界面处AI元素发生了明显 扩散连接反应层内元素互扩散的动力学计算与 的互扩散，形成一个约~l00μm的Al元素互扩散 实测结果基本吻合，这就为此两种合金在热等静 区.模拟计算结果与实验测试值基本吻合，说明 压扩散连接过程中的元素互扩散进行系统的理 此种模拟计算方法对热等静压扩散连接元素扩 论计算并可以对HP扩散连接的最佳工艺进行 散区的模拟预报是可行的.值得注意的是，模拟 理论预报.图4为两种合金的扩散偶在1120℃/ 计算的结果也给出了DD402单晶侧y'形成元素 103MPa条件下，随时间延长A1元素于扩散 A1出现了富集，模拟计算的AI元素的言集区~25 反应层内变化规律的模拟计算结果，模拟时间从董 建 新 等 热 等 静压 扩 散连 接 反 应 层 元 素 互 扩 散 的动 力 学 模拟 计 算 有 关 的热 力 学 信 息 ， 得 到 不 同类 型 的平 衡 及 相 图 ， 为此 ， 采 用 与 一 相 结 合 ， 后 者处 理 所 需 的所 有 热 动 力 学 计 算 图 为 软件 的基本计算原理 图 ， 它具 有 四 种 模 型 ， 即扩散方 程 的解 、 热 动力 学 平 衡 的 计算 、 流量 平衡方 程 的计算 、 相 界 面 位 置 的替换 与格点 的调 整 等 ， 计算过 程 中将要 调 用 热力 学数 据 库 和 动力 学 数 据 库 除 此 之外 ， 软件 还 提 供 预 处 理模 块 和 后 处 理输 出模块 ， 卿 比 实 验 测 定 的 富集 区 一 娜 要 宽些 ， 但 其趋 势 是 一 样 的 ， 说 明在 结 合界 面处 形 成 了 的上 坡扩散 流 这 可 能是 由于 扩散过 程 中元 素 的互 作 用 使得 原 子 的化 学 位 发 生 了改 变 ， 形 成 化 学 位 梯 度 ， 驱 使单晶侧 原 子 沿 化学位梯 度 方 向 上坡扩散 由于 扩散偶 中 的 单 晶 的 浓 度 高于 侧 ， 所 以其化 学 位梯度 方 向与浓度 的方 向相 反 芝一︵︶喇， 流量平衡方程 扩散方程 局部平衡 动力学 吉布斯 自由能 动力学 数据库 热力学 图 一 一 软 件 的基 本原 理 认 一 《〕 目 刊 模 拟 对 象为 单 晶 和 粉 末 高温 合金 实验 尺 寸 经 ℃ 条件下 热 等静 压 ， 两 合 金 的化学 成 分 见 表 ， 详细 的 工 艺 过 程 请参 照 文 献 【 …公一 位 拌 图 扩 散 连 接反 应层 元 素 互 扩 散成 分 分布 图 ℃ 表 实 验合 金 的化 学成 分 合金 三 合金 模拟结 果 图 为两 合 金 经 ℃ 留 热 等静 压 后 反 应 区 元 素 的成 分分 布 图 ， 图 中左侧 为 单 晶 ， 右侧 为 粉 末 高温合 金 从 图 中可 以 看 出 ， 在 结 合 界 面处 元 素发 生 了 明显 的互 扩 散 ， 形 成 一 个 约一 卿 的 元 素互 扩 散 区 模 拟 计 算 结果 与 实验测 试值基 本 吻合 ， 说 明 此 种模 拟 计 算方 法 对 热 等静 压 扩 散 连 接 元 素扩 散 区 的模拟 预 报是 可行 的 值得 注 意 的是 ， 模 拟 计算 的结果 也 给 出 了 单 晶侧 ‘ 形 成 元 素 出现 了富集 ， 模拟 计算 的 元 素 的 富集 区 一 而其他 元 素则 不 然 ， 图 为 ， ， ， ， 和 元素在 同样 条 件 下 经 热 等静压 扩 散 连 接 工 艺 处 理 后 其元 素互 扩 散 区 元 素 扩 散 的模 拟 计 算和 实 际 实验结 果 从 中可 以 看 出 ， 模 拟结 果 与 实测 结果 吻合得 较好 图 中的这 些元 素与 不 同 ， 其 扩 散 的驱 动 力 为浓度梯 度 ， 模拟 计算过 程 中也 没 有 出现类似 于 元 素的上 坡 扩 散 相 同 的是 ， 在 结 合 界 面 处 元 素均 发 生 了 明显 的互 扩 散 ， 并 且 形 成 了 一 个 元 素 互 扩 散 区 ， 宽 度 为 一 娜 左 右 由于各 元 素的扩 散 能力 不 同 ， 所 形 成 的 扩 散 区 略 有 不 同 ， 的 扩 散 范 围一 阿 ， 和 由于 扩 散 速度 较慢 ， 所 以 它们的扩 散 范 围较 窄 ， 为一 娜 ， 的扩 散 主 要 集 中在 一 侧 ， 其 扩 散 范 围为一 卿 ， 的扩 散 范 围为一 脚 从上述 的模 拟计算 结 果 可 以 看 出 ， 热 等静 压 扩 散 连 接 反 应 层 内元 素互 扩 散 的 动 力 学 计算 与 实测 结 果 基 本 吻合 ， 这 就 为此 两种 合金 在热 等静 压 扩 散 连 接 过 程 中的 元 素互 扩 散 进 行 系 统 的理 论计算并 可 以 对 扩 散 连 接 的最 佳工 艺 进 行 理 论 预 报 图 为两 种合 金 的扩散偶在 ℃ 条 件 下 ， 随 时 间 延 长 元 素 于 扩 散 反 应 层 内变 化规律 的模 拟计算结 果 ， 模 拟 时 间从