论文摘要
材料的热力学信息是进行材料动力学计算及微观组织演变模拟的基础,因此CALPHAD （CALculation of PHAse Diagram）技术在材料的设计与开发中发挥着越来越重要的作用。Cu、Fe、Mg、Mn、Si是多元商业铝合金中的主要合金或杂质元素。为了设计并开发新—代高性能铝合金,必须建立精确的热力学数据库。本论文针对商业铝合金中的重要体系Al-Cu-Fe-Mg-Mn-Si展开研究,力求为多组元铝合金的应用开发提供可靠的热力学描述。本工作的主要思路是：首先,基于已经发表的相关二元体系的热力学描述,利用本工作的实验结果,并结合文献数据,分别对Cu-Fe-Si、Cu-Mg-Si、Fe-Mg-Si、Cu-Fe-Mg三元系进行热力学计算,得到一套可以合理描述Cu-Fe-Mg-Si体系的热力学参数；之后,结合本研究室已完成的其它相关二元系、三元系、四元系的热力学参数,构建Al-Cu-Fe-Mg-Mn-Si六元系热力学数据库。最后,利用该数据库对商业铝合金的重要体系进行热力学计算,并用希尔凝固模型预测一系列商业铝合金在凝固过程中的相变序列。本工作取得的主要成果由以下六部分组成：（1）在对文献报道的相图和热力学数据严格评估的基础上,综合利用X射线分析法（XRD）、扫描电镜（SEM/EDX）、电子探针显微分析（EPMA）和差热分析（DTA）对Cu-Fe-Si体系整个成分范围内的相平衡关系进行了研究。测定了Cu-Fe-Si体系在750℃的等温截面,获得了该体系在30和70at.%Cu的垂直截面上的相转变温度。基于本次实验结果,并结合文献数据,对Cu-Fe-Si体系进行了热力学优化计算,得到了该体系一套比文献报道更为合理的热力学参数。此外,将所获得的热力学参数应用到对抑制钢铁“表面裂纹”的合金元素选择和“核-壳材料”的形成成分范围预测中。本工作中还对三元体系的液相溶解度间隙的形成判据进行了详细分析及归纳。（2）通过粉末冶金方法制备了Cu-Mg-Si三元合金样品,利用X射线分析法测定了该三元系在500℃和700℃的相关系,并证明了三元化合物Sigma （Cu16Mg6Si7）、Tau （Cu3Mg2Si）和LavesC15（（Cu0.8Si0.2）2（Mg0.88Cu0.12））相的存在。通过严格评估文献中的相图和热力学性质数据,并结合本次实验结果,对Cu-Mg-Si体系进行了热力学优化计算,成功地对有复杂相关系的Laves相进行了热力学模拟。（3）在对文献中Fe-Mg-Si体系的相图数据和热力学数据进行严格评估的基础上,对该体系进行热力学优化,得到了一套可以合理描述该体系实验数据的热力学参数。基于所获得的热力学参数构筑了Fe-Mg-Si体系的液相面投影图和反应图,并详细描述了在富Mg端和富Fe端的液相溶解度隙的复杂零变量反应。（4）采用粉末冶金方法测定了Cu-Fe-Mg三元系在室温、500和700℃的相关系。该体系中未发现三元化合物。通过热力学外推的方法,得到该三元系的热力学参数,并对该体系在室温、500和700℃的等温截面进行计算。计算结果与实验结果对比表明利用热力学外推方法就可以很好地描述该体系。利用外推的结果,本工作还预测了Cu-Fe-Mg体系一系列的等温截面和关键的垂直截面,并构筑了Cu-Fe-Mg体系完整的液相面投影图与反应图。（5）将上述工作得到的Cu-Fe-Si、Cu-Mg-Si、Fe-Mg-Si、Cu-Fe-Mg体系的热力学参数与本研究室已完成的其它相关二元系、三元系及四元系参数相结合,建立了Al-Cu-Fe-Mg-Mn-Si六元系热力学数据库。基于所建立的六元系数据库,本工作对Al-Cu-Mg-Mn、Al-Cu-Fe-Mg、 Al-Cu-Fe-Si、Al-Cu-Mg-Si、Al-Fe-Mg-Si四元系和Al-Cu-Fe-Mg-Si、 Al-Cu-Fe-Mg-Mn五元系进行了热力学计算,得到了以上所有体系富Al角含液相的零变量反应温度和成分,并绘制了Al-Cu-Mg-Mn、 Al-Cu-Fe-Mg、Al-Cu-Fe-Si、Al-Cu-Mg-Si、Al-Fe-Mg-Si四元系在富Al角的液相面投影图。计算结果与文献数据取得了良好的一致性。此外,本工作还计算了Al-Cu-Fe-Mg-Si五元系在Al-Cu、Al-Si、Al-Mg边界的液相面投影图,以及Al-Cu-Fe-Mg-Mn五元系在Al-Cu、AI-Mg、 Al-Mn边界的液相面投影图。（6）在本工作建立的Al-Cu-Fe-Mg-Mn-Si六元系热力学数据库的基础上,采用杠杆定律和Scheil模型对Al-Cu、Al-Mg、Al-Si系列的17个商业铝合金的凝固过程进行了平衡和非平衡凝固计算。所计算的凝固曲线能够可靠地预测文献中的实验结果。