Au-Pd-Zr系三元合金相图热力学计算及其实验研究

论文摘要

计算材料科学的飞速发展推动了材料设计进程,作为计算材料热力学发展方向之一的相图计算CALPHAD（CALculation of PHAse Diagram）技术,基于热力学模型,广泛的应用于多组元材料体系的相图热力学性质的计算,预测生成相、相变特征温度等,为材料的设计提供关键性的理论指导。贵金属合金材料是航空、航天、军工等行业的关键材料,围绕材料相图研究,有利于完善贵金属合金材料的基础和研究体系,为贵金属合金的应用提供有利支撑。本课题选取在应用领域具有代表性的Au-Pd系合金为对象,研究其与稀有金属Zr形成多元系合金的相图,为高性能新型稀贵金属合金的设计和研制奠定理论和应用基础。本文采用CALPHAD技术计算出Au-Zr, Pd-Zr及Au-Pd三个二元系合金相图,外推计算了Au-Zr-Pd三元合金系相图,并选取关键点进行实验验证。具体工作如下：（1）分析了Au-Zr, Pd-Zr及Au-Pd三个二元系合金相图各相的热力学模型和自由能表达式,并对计算相图和标准实验相图进行了对比分析,对比分析结果表明：计算相图与实验测定相图无论在相成分还是在相变温度上均匹配完好,说明Au-Zr, Pd-Zr及Au-Pd三个二元系合金系的热力学数据及模型的准确性及可靠性。（2）采用Pandat相平衡热力学计算软件外推计算了Au-Pd-Zr三元合金的液相面投影图、不同温度下的等温截面图及固定Au, Pd元素摩尔分数比,Zr元素的摩尔分数从0变化到1的合金系的垂直截面图。（3）选取五个关键实验点：1#合金（36Au-36Pd-28Zr）、2#（34Au-34Pd-32Zr）、3#合金（32Au-32Pd-36Zr）、4#合金（30Au-30Pd-40Zr）、5#合金（28Au-28Pd-44Zr）的析出凝固过程进行了具体分析,确定室温组织以及在析出过程中可能的相,所检测出的室温组织与预报的室温组织一致,说明了Pandat多相平衡热力学计算软件的准确性与可靠性。（4）针对5个样品的XRD图都在2θ=30°左右时出现了一个较强的衍射峰,推测可能有三元化合物存在,作者通过MS软件,建立可能出现的三元化合物的物相结构：AuPdZr, Zr2AuPd, Zr2Au2Pd, Pd2AuZr, Zr4Pd2Au。模拟的XRD图谱与实验测定结果对比后发现：Zr2AuPd相的模拟XRD图与3#样的XRD图谱符合较好,可以推测出Zr2AuPd相有可能存在。而AuPdZr, Zr2Au2Pd, Pd2AuZr, Zr4Pd2Au相的存在性需要后续的进一步研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 材料设计
• 1.2 计算相图在材料设计中的重要性
• 1.3 计算相图的发展概述
• 1.4 贵金属合金相图发展概况
• 1.4.1 二元贵金属合金系统相图研究
• 1.4.2 三元贵金属合金系统相图研究
• 1.5 课题研究的背景、目的和意义
• 1.6 本论文主要研究的内容及课题来源
• 1.6.1 本论文研究的主要内容
• 1.6.2 课题来源
• 第二章 相平衡热力学计算的理论基础
• 2.1 相图计算（CALPHAD）原理与方法
• 2.1.1 相图计算原理
• 2.1.2 相图计算方法
• 2.2 热力学模型
• 2.2.1 纯组元与化学计量比化合物的自由能模型
• 2.2.2 理想溶体模型
• 2.2.3 正规溶体模型
• 2.2.4 亚正规溶体模型
• 2.2.5 亚点阵模型
• 2.3 相图计算软件
• 2.4 合金相图与热力学计算软件Pandat介绍
• 2.4.1 用户界面与数据库模块
• 2.4.2 计算模块
• 2.4.3 操作模块
• 2.4.4 数据优化模块
• 2.5 小结
• 第三章 Au-Pd-Zr三元合金系的相图计算
• 3.1 描述Au-Zr合金中各相的热力学模型
• 3.1.1 纯组元的Gibbs自由能
• 3.1.2 固溶体相的热力学模型
• 3.1.3 化学计量比化合物热力学模型
• 3.1.4 AuZr相热力学模型
• 3.2 描述Pd-Zr合金中各相的热力学模型
• 3.2.1 纯组元的Gibbs自由能
• 3.2.2 固溶体相的热力学模型
• 3.2.3 化学计量比化合物热力学模型
• 3.2.4 金属间化合物热力学模型
• 3.3 描述Au-Zr合金中各相的热力学模型
• 3.3.1 纯组元的Gibbs自由能
• 3.3.2 固溶体相的热力学模型
• 3.4 实验相图与计算相图的比较
• 3.4.1 Au-Zr二元合金计算相图与实验相图的比较
• 3.4.2 Pd-Zr二元合金计算相图与实验相图的比较
• 3.4.3 Pd-Au二元合金计算相图与实验相图的比较
• 3.5 Au-Pd-Zr三元合金相图等温截面与垂直截面预测
• 3.5.1 Au-Pd-Zr三元合金的各相热力学模型
• 3.5.1.1 纯组元的Gibbs自由能
• 3.5.1.2 固溶体相的热力学模型
• 3.5.2 Au-Pd-Zr三元合金的等温截面相图的计算预测与分析
• 3.5.2.1 液相投影面计算过程与预测
• 3.5.2.2 等温截面相图计算过程与预测
• 3.5.2.3 Au-Pd-Zr三元合金垂直截面相图计算过程与预测
• 3.6 小结
• 第四章 Au-Pd-Zr系合金相图实验验证
• 4.1 实验合金的选择
• 4.2 实验过程及方法
• 4.2.1 实验合金的制备
• 4.2.2 实验合金的热处理
• 4.2.3 实验合金的分析方法
• 4.3 实验结果与分析
• 4.3.1 1#合金试样结果分析
• 4.3.1.1 1#合金试样显微组织结果分析
• 4.3.1.2 1#合金试样形貌分析
• 4.3.2 2#合金试样结果分析
• 4.3.2.1 2#合金试样显微组织结果分析
• 4.3.3 3#合金试样结果分析
• 4.3.3.1 3#合金试样显微组织结果分析
• 4.3.3.2 4#合金试样显微组织结果分析
• 4.3.3.3 5#合金试样显微组织结果分析
• 4.4 可能出现的三元化合物推测
• 4.4.1 建立模型依据
• 4.4.2 建立模型
• 4.5 结论
• 第五章 结论与创新
• 5.1 结论
• 5.2 本文创新点
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士期间发表论文目录及奖励