多元铝合金相图拓扑关系的理论和实验研究

论文摘要

计算材料科学的发展推动了材料设计进程,作为材料热力学计算发展方向之一的相图计算CALPHAD（CALcaluation of PHAseDiagram）技术,能够计算多元相图、相变温度以及各相分数随温度变化等信息,为材料制备过程提供描述显微组织演变所需的重要参数。相图计算使热力学和现代实验技术紧密结合,并把材料的成分、组织及制备过程紧密联系起来。它是实现从材料微观结构预测宏观性能的关键之一。目前国内外对相图的研究通常局限在单一温度截面或是有限成分范围,这是远远不够的。轻质高强铝基合金由于其卓越的综合性能广泛应用于航天航空等工业领域。Be,Cu,Fe,Mg,Mn,Si,Ni,Ti等都是铝基合金中重要的合金元素,能不同程度地改善铝合金性质。为了进一步提高铝基合金的性能,本论文首先介绍了合金相图及相平衡计算的理论模型,然后对精选的几个铝合金数据库中重要的三元系,从实验和热力学计算两方面全面地研究了整个成分和温度范围的相图拓扑关系:（1）实验确立了新的Al-Be,Be-Si二元相图,结合CALPHAD技术,优化了Al-Be,Be-Si二元系,利用边界二元系的参数外推计算了Al-Be-Si三元系的相图和热力学性质,通过比较发现,外推计算结果与实验测量数值完全吻合。这是自1906年有关于这一体系相图研究的报道以来,对这一三元系最为完整的实验研究和最准确的计算描述。（2）实验测定了Fe-Mn-Si三元系整个成分范围的相关系,并通过热力学优化,获得一套自洽的热力学参数。这套参数不仅可以描述Fe-Mn-Si三元系的稳定相图,同时可以模拟亚稳hcp相马氏体转变的规律。这对材料设计和生产工艺的制定极具意义。（3）通过多种实验方法的结合使用,澄清了文献中有关Al-Ni-Ti三元系900℃以下相关系的争论与分歧,首次测定了1000℃等温截面,发现了一个新的三元化合物,填补了900℃至液相区间的相平衡实验空缺,获得了整个Al-Ni-Ti三元系的平衡相关系,进而确立了液相面和希尔反应图。（4）Al基合金数据库中的含Mg体系由于实验数据的匮乏,一直未有计算相图方面的研究。本工作采用CALPHAD技术,对其中5个重要三元系（Mg-Mn-Si,Mg-Mn-Ni,Mg-Ni-Zn,Mg-Si-Zn,Mg-Ni-Si）,进行了探索性的热力学计算,计算结果证实了有限的三元实验,同时可用于指导进一步的实验研究工作。所有的工作体系都全面评估了来自不同作者和运用不同的实验方法所获得的相图及热力学数据,发现并分析其中存在的矛盾和不一致,采用国际通用的纯组元吉布斯自由能为计算标准,统一了所有边界二元系的模型,使得所有二元系和三元系和谐存在于一个数据库中。本工作拟用的集合关键实验（XRD,DTA,SEM/EDX）与相图计算,构筑全成分和温度范围相图拓扑关系的方法,不仅成功应用在了铝合金体系,而且可推广应用于其他重要工业体系相平衡关系的研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 材料设计与计算材料学
• 1.2 计算相图
• 1.2.1 相图及其应用
• 1.2.2 计算相图的必要性与发展
• 1.3 相图平衡热力学计算的理论基础
• 1.3.1 相图计算原理
• 1.3.2 热力学模型
• 1.4 CALPHAD方法的主要步骤
• 1.5 计算工具
• 1.6 实验方法
• 1.6.1 样品制备—电弧熔炼
• 1.6.2 均质化热处理
• 1.6.3 电感耦合高频等离子体（ICP）
• 1.6.4 金相分析
• 1.6.5 X.射线衍射（XRD）
• 1.6.6 差热分析（DTA）
• 1.7 选题背景
• 第二章 Al-Be-Si三元系相图拓扑关系的全局描述
• 2.1 概述
• 2.2 Al-Be二元系
• 2.2.1 实验数据评估
• 2.2.2 实验
• 2.2.3 热力学模型
• 2.2.4 结果和讨论
• 2.2.5 小结
• 2.3 Be-Si二元系
• 2.3.1 实验数据评估
• 2.3.2 实验及实验结果分析
• 2.3.3 Be-Si二元系的热力学优化
• 2.4 Al-Be-Si三元系
• 2.4.1 文献数据评估
• 2.4.2 边界二元系
• 2.4.3 实验及实验结果分析
• 2.4.4 计算及其讨论
• 2.5 本章小结
• 第三章 Fe-Mn-Si三元系平衡及亚稳相关系的测定和模拟
• 3.1 概述
• 3.2 实验数据评估
• 3.2.1 热力学数据
• 3.2.2 相图数据
• 3.3 实验
• 3.3.1 样品制备
• 3.3.2 样品检测
• 3.4 热力学模型
• 3.4.1 液相
• 3.4.2 固溶相
• 3.4.3.边界二元化合物
• 3.4.4 线性化合物
• 3.5 结果和讨论
• 3.6 马氏体转变
• 3.6.1 重要的热力学定义
• 3.6.2 优化过程和结果讨论
• 3.7 本章小结
• 第四章 Al-Ni-Ti三元系宽广成分及温度范围相图拓扑关系的实验测定
• 4.1 概述
• 4.2 实验数据评估
• 4.2.1.边界二元系
• 4.2.2.固溶相
• 4.2.3 相平衡数据
• 4.2.4 热力学数据
• 4.2.5 扩散数据
• 4.2.6 建模（热力学,第一原理）
• 4.3.实验
• 4.4 实验结果分析
• 4.4.1 固相平衡
• 4.4.2 液相参与的反应
• 4.5 本章小结
• 第五章 多元Al基体系中几个重要含镁三元系相图拓扑关系的模拟
• 5.1 概述
• 5.1.1 含镁合金相图
• 5.1.2 研究目的和内容
• 5.2 Mg-Mn-Si三元系的热力学计算
• 5.2.1 文献评估
• 5.2.2 计算结果与讨论
• 5.3.Mg-Mn-Ni三元系的热力学计算
• 5.3.1 实验数据评估
• 5.3.2 热力学优化
• 5.4.Mg-Ni-Zn三元系的热力学计算
• 5.4.1.文献数据评估
• 5.4.2.优化结果与讨论
• 5.5.Mg-Si-Zn三元系的热力学计算
• 5.5.1 实验数据评估
• 5.5.2 热力学计算
• 5.6.Mg-Ni-Si三元系的热力学计算
• 5.6.1 文献数据评估
• 5.6.2 热力学优化
• 5.6.3 结果分析
• 5.7.本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间主要的研究成果