Al-Cu-Mn、Al-Cu-Si、Al-Mg-Ni和Ni-Ti-Si体系的相图测定及热力学研究

摘要

CALPHAD(CALculation of PHAse Diagram)技术基于热力学模型，广泛地应用于多组元材料体系的相图热力学性质计算和相变模拟。CALPHAD方法所得的化学势和热力学因子可以用来进行扩散模拟，相驱动力结合Landau理论还可以用来模拟微观结构的演变等。CALPHAD技术的成功应用依赖于精确的多组元体系的相图热力学数据库的建立，因此获得多组元体系相图热力学性质是材料科学领域一个重要的研究方向。 由于Al基合金具有优良的物理和机械性能，广泛地用于交通运输、包装容器、建筑装饰、航天航空等领域。Cu、Mg、Mn、Ni、Si、Ti等元素是Al基合金中的主要合金元素。为了开发高性能铝合金材料并改进其制备工艺，有必要获得准确的多组元Al基合金体系的相图热力学信息。作为“多组元Al合金体系的相图测定、热力学计算及显微组织演变的模拟”研究项目的一部分，本文通过CALPHAD技术和关键实验相结合的方法，对Al-Cu-Mn、Al-Cu-Si、Al-Mg-Ni、Ni-Ti-Si四个三元合金体系进行了相图热力学研究。 (1)重新测定了Cu-Mn二元系的相关系，准确测定了零变量平衡：(DMn)+γ→(aMn)的反应温度以及26～93 at％Mn成分范围内的液相线温度。根据本工作所得的实验数据和文献数据重新优化了Cu-Mn二元系。 基于本工作所获得的Cu-Mn二元系的热力学描述，结合文献中报道的Al-Cu和Al-Mn体系的热力学参数，优化并计算了Al-Cu-Mn三元系在整个成分范围内的相平衡，获得了一套自洽的能够描述各相自由能的热力学参数。计算结果较好地重现相应的实验数据。本工作还构筑了Al-Cu-Mn体系的液相面投影图和工程上广泛运用的希尔反应图。 (2)实验测定了Al-Cu-Si三元体系在500和600℃下的等温截面。基于本工作的实验结果和可靠的文献数据，优化和计算了Al-Cu-Si三元体系在整个温度与成分范围内的相平衡，获得了一套描述各相自由能的热力学参数。计算的系列等温截面、垂直截面、零变量反应、以及液相混合焓性质图与实验数据比较表明，计算能精确的描述可靠的实验数据。本工作还构筑了该体系完整的希尔反应图，获得了该体系相关系的全局表征。 (3)通过大量的实验工作，探索出了一种制备Mg合金以用于相图测定的新方法。应用该方法，首次成功地测定了Al-Mg-Ni三元体系700和427℃等温截面，为Al-Mg-Ni体系的热力学计算提供了可靠的实验数据。 (4)应用CALPHAD方法，对复杂的Ni-Ti-Si三元系进行相图热力学优化。首次成功地应用一个亚点阵模型描述了Ni-Ti-Si体系中L12/Fcc A1和Bcc B2/Bcc A2的有序、无序相转变，提出了一种对复杂三元体系进行热力学优化的的新方法，并获得了一套自洽的描述Ni-Ti-Si三元系各相自由能的热力学参数。本工作还计算比较了Ni-Ti-Si体系的等温截面、零变量反应以及液相面投影图，并构筑了完整的希尔反应图。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2计算相图的发展历史

1.3相图计算原理

1.4热力学模型

1.4.1纯组元的热力学函数

1.4.2相的吉布斯自由能表达式

1.4.3替换溶体模型

1.4.4亚点阵模型

1.4.5有序、无序相变模型

1.5相图计算方法

1.6相图计算软件

1.7相图研究的实验方法

1.7.1样品制备

1.7.2样品的热处理

1.7.3测试及分析

1.8选题背景

第二章Al-Cu-Mn三元系的相图测定与热力学优化

2.1 Cu-Mn二元系

2.1.1文献评估

2.1.2实验研究

2.1.3实验结果

2.1.4热力学模型

2.1.5结果与讨论

2.2 Al-Cu二元系

2.3 Al-Mn二元系

2.4 Al-Cu-Mn三元系

2.4.1文献评估

2.4.2晶体学信息

2.4.3 Al-Cu-Mn热力学模型

2.4.4热力学优化

2.4.5结果和讨论

2.5小结

第三章Al-Cu-Si三元系的相图测定与热力学优化

3.1文献评估

3.1.1二元相图数据

3.1.2三元实验数据

3.1.3晶体学数据

3.2实验

3.2.1实验过程

3.2.2实验结果和讨论

3.3热力学模型

3.4热力学优化

3.5计算结果与讨论

3.5.1等温截面

3.5.2垂直截面

3.5.3热力学性质

3.5.4零变量反应、液相面投影图及希尔反应图

3.6 小结

第四章Al-Mg-Ni体系的相图测定

4.1文献评估

4.1.1三元实验数据

4.1.2二元相图数据

4.2实验过程

4.3实验结果和讨论

4.3.1 700 oC等温截面

4.3.2 427 oC等温载面

4.4小结

第五章Ni-Ti-Si三元系的热力学优化

5.1文献评估

5.1.1三元实验数据

5.1.2二元相图数据

5.2热力学模型

5.3热力学优化

5.3.1优化方法探论

5.3.2优化参数的选择策略

5.4结果和讨论

5.5小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文