L12相強化的耐熱鋁合金相關(guān)體系熱力學(xué)研究.pdf

1、鋁合金因質(zhì)輕，比強度高，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好，易加工等優(yōu)勢在航空航天，電力工業(yè)，汽車行業(yè)等各個領(lǐng)域一直都發(fā)揮著舉足輕重的作用。雖然近年來鋁合金在飛機上的應(yīng)用漸漸受到鈦合金和復(fù)合材料的挑戰(zhàn)，但仍高居主體結(jié)構(gòu)材料的地位。提高鋁合金的高溫強度，開發(fā)耐熱鋁合金是目前鋁合金研究的一個重要方向。眾所周知，添加稀土元素Sc會形成L12_Al3Sc相，可有效地提高Al合金的耐熱性。然而，其高成本注定了含Sc鋁合金只能應(yīng)用在軍工領(lǐng)域或民用高檔消費品上。尋找其他

2、合金化元素來部分甚至全部取代Sc有著重要的技術(shù)和經(jīng)濟意義。圍繞利用L12_Al3X相強化的核心思想，目前在開發(fā)設(shè)計代Sc耐熱鋁合金方面主要有兩種設(shè)計理念。一種是通過使預(yù)先形成的非晶態(tài)合金晶化來形成L12強化相，一種是直接通過快速凝固或粉末冶金技術(shù)在基體中析出L12強化相。據(jù)此，本文選擇了含稀土元素和過渡族元素的幾個有代表性的體系進行了熱力學(xué)與擴散動力學(xué)方面的研究，以期為L12相強化的新型耐熱鋁合金的開發(fā)提供理論和實驗依據(jù)。主要展開了以下

3、工作:
　　(1)采用CALPHAD(CALculation of PHAse Diagram)方法首次對Al-Cu-Ce，Al-Cu-Zr和Al-Cu-Sc三元系的相圖進行了熱力學(xué)優(yōu)化，建立了準確可靠的熱力學(xué)描述。根據(jù)優(yōu)化的熱力學(xué)參數(shù)計算了Al-Cu-Ce和Al-Cu-Zr三元系中晶體相在各個成分的過冷液相中析出的初始驅(qū)動力，構(gòu)建了全成分范圍的驅(qū)動力面投影圖。采用驅(qū)動力準則從熱力學(xué)角度闡釋了它們的非晶形成能力，預(yù)測了富鋁角非晶形

4、成能力比較高的成分范圍。
　　(2)采用掃描電鏡/能譜(SEM/EDX)，x射線衍射(XRD)以及差示掃描量熱法(DSC)等檢測手段，利用合金法實驗研究了Al-Sc-Zr和Al-Sc-Y三元系873 K等溫截面、變溫截面以及液相投影面。借助SQS(Special Quasirandom Structures)超胞模擬Sc-Zr二元系hcp_A3固溶體，用第一原理方法計算其混合焓，并優(yōu)化了該二元相圖。另外，Al-Y二元相圖也重新進行

5、了熱力學(xué)優(yōu)化。在上述工作基礎(chǔ)上，將第一原理計算與CALPHAD方法相結(jié)合，首次建立了Al-Sc-Zr和Al-Sc-Y體系的熱力學(xué)描述。
　　(3)同樣利用合金法，通過SEM/EDX，XRD和DSC等檢測手段實驗研究了Al-Dy-Zr和Al-Gd-Zr三元系873 K等溫截面、變溫截面以及液相投影面。采用第一原理方法計算了Dy-Zr和Gd-Zr二元系hcp_A3固溶體的混合焓。根據(jù)該計算結(jié)果、評估的相圖和文獻報道的實驗信息優(yōu)化了這兩

6、個二元相圖。另外，重新優(yōu)化了Al-Dy和Al-Gd二元相圖。將實驗研究、第一原理計算與CALPHAD方法相結(jié)合，建立了Al-Dy-Zr和Al-Gd-Zr體系的熱力學(xué)描述。
　　(4)優(yōu)化了Al和Zr原子在Al-Zr二元系各固溶體相fcc_A1，bcc_A2和hcp_A3中的原子移動性參數(shù)。在ZrAl3化合物相中引入很小的溶解度范圍，結(jié)合平均互擴散系數(shù)的概念，模擬了Zr/Al擴散偶界面ZrAl3相的擴散生長。通過擬合ZrAl3相擴散