Ni合金相图、相平衡及相变的热力学研究

摘要

成功设计材料的关键一环是获得所研究材料体系的热力学和动力学信息。本工作主要针对具有重要工业应用价值的Ni合金体系进行材料热力学基础研究。选取的研究体系有：Ce-Ni、B-Ni、Cu-Mg-Ni、Fe-Ni-Zn、Al-Cr-Ni和Al-Ni-Si。对于工程应用而言，本研究的目的之一是为了扩充Ni基体系的热力学数据库，为材料设计和制备提供有效的热力学信息。对于材料热力学基础性研究而言，本工作旨在寻找并解决现今材料热力学研究当中尚未妥善解决的一些问题，利用设计型实验和相图计算(CALPHAD：CALculationof PHAse Diagram)相结合，并适当结合第一性原理计算探寻出一种精确构筑合金热力学相图的普适性方法。
　　 通过对本工作选取的若干重要Ni合金体系的研究，以及对当前材料热力学研究的若干问题进行分析，可将本工作研究具体内容及要点概括如下：
　　 1.利用实验相图测定和第一性原理计算相结合的方法，精确构筑了Cu-Mg-Ni、Fe-Ni-Zn、Ce-Ni、Al-Cr-Ni和Al-Ni-Si体系的相图。并通过CALPHAD方法准确地预测出未知区域的相平衡、相变及合金的热力学性质，如金属间化合物生成焓、化学活度等等。本研究工作为Ni合金的材料设计提供了可靠的热力学理论依据，并准确揭示出相关体系合金相变的复杂性。
　　 2.在对Cu-Mg-Ni体系的热力学研究中，探讨了边界二元系对于三元体系热力学研究的重要性，对当前日益增多的材料热力学数据库所引起的问题提出了有效的建议。此外，还成功地预测了Cu-Mg-Ni体系中多个Laves相共存状态下的热力学稳定性及相平衡。
　　 3.通过研究Fe-Ni-Zn的二元边界体系Fe-Zn和Ni-Zn，揭示出镀锌工业体系热力学建模存在的科学问题，并纠正了已报道的Fe-Zn和Ni-Zn体系热力学计算的错误。利用第一性原理和CALPHAD计算相结合的方法说明了理论计算对实验难度较大的含Zn体系相图构筑的可行性和有效性。相关工作不仅为Fe-Zn和Ni-Zn这两个镀锌工业中最为重要的体系提供了热力学依据，而且对镀锌工业体系的热力学研究方法提供了可借鉴模式。
　　 4.在Ce-Ni体系的热力学研究中，综合利用设计型关键实验、第一原理和CALPHAD计算方法，实现了Ce-Ni相图的精确热力学描述。此外，对普遍处理为线性化合物的CeNi5相进行了细致的研究，利用电子探针方法测定出CeNi5存在不可忽略的固溶度，并对其热容随温度的变化其进行了精确的热力学描述。
　　 5.在B-Ni合金体系的研究中，本工作开创了一种节约实验成本，方便快捷，并能精确测定合金比热的实验方法。避免了比热测定中，由于坩埚质量不同造成的实验误差，提高了合金比热测定的精度和灵活度。利用该方法成功测定出了金属间化合物NiB在40至950℃之间的比热曲线。
　　 6.利用有序-无序相变热力学模型成功描述了Al-Ni-Si和Ni-Zn合金体系中fcc_L12和bcc-B2两种有序相，克服了使用不同模型对有序相和无序相分别进行描述造成的无法描述共格有序相变的情况，并使得热力学模型和晶体结构信息相一致。在对Al-Ni-Si和Ni-Zn体系的热力学研究中，体现了有序-无序相变热力学模型对于二元，三元及多元合金体系的普适性。
　　 7.在Al-Ni-Si体系的研究中，凸显了设计型实验用以测定相图的必要性，相对于传统的实验构筑而言，借助CALPHAD方法的设计型实验能够显著提高相图测定的精确度，同时将实验的工作量最小化。
　　 本工作不仅对具体的合金体系进行了相图热力学研究，并且对当今相图研究的重点方向和相关的领域进行了分析。重点讨论了相图热力学研究领域的发展趋势及工业应用问题。对于Ni合金的热力学研究及材料设计方法进行了解析。该研究工作中的相关体系将和其他子体系相结合，构建出一个具有工业应用价值的Ni合金热力学数据库。