Al合金中MN-Ni-B,Cu-MN-Ni,Cu-Ni-Si相圖研究及Al合金凝固和時效相場模擬.pdf

1、材料顯微組織的描述是進行材料設(shè)計的重要前提之一。利用相圖計算CALPHAD(CALculation of PHAse Diagram)方法建立的熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫可以為材料顯微組織定量模擬提供精確的相圖熱力學(xué)和擴散動力學(xué)信息。近年來，建立在精確熱力學(xué)和擴散動力學(xué)基礎(chǔ)上的相場模擬成為一種非常有效的顯微組織模擬方法。
　　Cu、Mn、Ni、Si和B是多元鋁合金中重要的合金元素或者添加元素，它們之間的相互作用影響多元Al合金的相平衡關(guān)

2、系。采用相場方法模擬Al合金的制備過程可以獲得該過程中的顯微組織演變信息，但是關(guān)于多元多相Al合金的定量模擬目前并不多見。本工作集成實驗測定、CALPHAD方法和第一性原理計算對多元Al合金的重要子體系Mn-Ni-B、Cu-Mn-Ni和Cu-Ni-Si進行相圖熱力學(xué)研究，所獲得的熱力學(xué)參數(shù)完善了多元Al合金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫。結(jié)合Al合金熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫，采用多相場方法對五元工業(yè)鋁合金Al356.1(Al-0.46Fe-0.3Mg-0.3

3、2Mn-6.97Si，wt.％)的凝固和Al-Ni合金的時效過程進行模擬。本工作主要研究成果如下:
　　(1) XRD分析證實NiB12和NiB2在950℃是非穩(wěn)定相。測定了Ni-B體系中的零變量反應(yīng)溫度。采用第一性原理計算了所有化合物的生成焓來輔助熱力學(xué)計算。通過熱力學(xué)計算獲得的Ni-B和Mn-B體系的熱力學(xué)參數(shù)能夠描述體系的相圖熱力學(xué)性質(zhì)。結(jié)合Ni-B、Mn-B和Mn-Ni體系的熱力學(xué)參數(shù)，對Mn-Ni-B三元系進行了熱力學(xué)計

4、算并采用所獲得的參數(shù)構(gòu)筑了希爾反應(yīng)圖。
　　(2)測定了Cu-Mn-Ni體系600℃的等溫截面。觀察到了cbcc_A12、cub_A13和fee_ A1的三相平衡。三個邊際二元系中的fcc_ A1相在三元體系中形成連續(xù)固溶體。Cu在L10-MnNi相中的溶解度達到16 at.％。通過對該體系實驗數(shù)據(jù)的熱力學(xué)計算獲得了能描述該體系相圖熱力學(xué)性質(zhì)的一套參數(shù)。
　　(3)測定了Cu-Ni-Si體系700℃的等溫截面。首次發(fā)現(xiàn)了新的

5、線性化合物Cu45.8Ni25Si29.2，并且證實了三元化合物Cu56.8-63Ni10.4-16.1Si26.6-27.3的存在。首次精確測定了所有化合物在700℃的固溶度。在Ni-Si二元體系中820℃以上穩(wěn)定存在的Ni2SiH在三元體系中可以在700℃穩(wěn)定存在，并且溶解12.7-20.6 at.％的Cu。對體系熱力學(xué)計算得到的參數(shù)計算的結(jié)果與實驗結(jié)果符合。所得到的參數(shù)不僅可以結(jié)合相關(guān)體系參數(shù)準確計算Al-Cu-Ni-Si四元體系

6、，而且還可以用于Cu基Corson合金在低溫時效強化過程中析出相種類和相分數(shù)的預(yù)測。
　　(4)采用多相場方法結(jié)合熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫對多元工業(yè)Al合金Al356.1的凝固過程進行了模擬。模擬中涉及到五組元和五個相。定量得到了合金化元素Fe、Mg、Mn和Si的成分分布。模擬結(jié)果合理并且優(yōu)于Scheil非平衡模型模擬。模擬中嘗試了2套液相擴散系數(shù)數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)液相擴散系數(shù)對凝固過程中的顯微組織演變模擬結(jié)果有顯著影響。
　　(5)