Al-Cr-Si、Al-Cr-Ti、Al-Cu-Fe、Al-Cu-Ni和Nb-Ni体系的晶体结构与相图测定及热力学模拟

摘要

CALPHAD(CALculation of PHAse Diagram)技术是目前非常成熟且用途极为广泛的相图评估和计算方法，它不仅是材料动力学、显微组织演变计算模拟的热力学平台，而且能够广泛地应用于新材料的设计与研制。Cu、Fe、Nb、Ni、Si、Cr、Ti等是Al基合金中的主要合金元素或添加元素。为了设计铝基合金成分、优化制备工艺，并有效地提高合金性能，有必要获得准确的多组元铝合金相图与热力学信息。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，本文对Al-Cr-Ti、Al-Cr-Si、Al-Cu-Fe、Al-Cu-Ni、Nb-Ni合金体系的晶体结构、相变与相图进行了系统研究： (1)本工作测定了Al-Cr二元系“γ”区域的晶体结构、相关系与相变；测定了富Al端的相平衡与转变温度，并否定了该区域内存在新相“v”的报道；测定了62～86 at.％Al范围内的液相线。综合上述实验结果，修订了Al-Cr二元相图。采用XRD、SEM/EDX等实验手段，测定了Al-Cr-Ti体系中固溶体相(Cr)和β(Ti)，二元化合物β-TiCr2，TiA13，和TiAl，以及三元相B2和τ的固溶度与相关系，从而构筑了该体系的900℃等温截面。利用平衡态合金的DTA分析，综合铸态合金的凝固组织分析，研究了合金的相变过程与凝固过程，确定了Al-Cr-Ti体系的三元零变量反应，并构筑了该体系的液相面投影图与希尔反应图。 (2)通过Cr-Si二元合金的凝固组织分析，发现了Cr5Si3是由Cr3Si通过包晶反应生成的，在此基础上更新了Cr-Si二元相图及其热力学优化。实验测定了Al-Cr-Si三元体系平衡相的晶体学数据；新发现了τ2、τ3与τ4三个三元化合物，并初步确定了τ2与τ4的晶体结构；利用Rietveld全谱拟合，准确地精修了τ3的晶体结构。研究了Al-Cr-Si合金在800℃下的相平衡关系，并构筑了完整的等温截面。利用DTA测定了三元合金的相变温度，结合合金的凝固组织分析，构筑了Al-Cr-Si体系的液相面投影图与希尔反应图。 (3)实验测定了Al-Cu-Fe三元体系的600℃等温截面与富Al角的相变温度。根据最新报道的相图数据，修订了Al-Fe二元体系的热力学描述。优化和计算了Al-Cu-Fe三元体系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模型与参数，计算所得的等温截面与实验数据基本一致。利用同一个方程模拟了该体系中的Bee_B2有序相与Bcc_A2(aFe，ε1和Cu3Al)无序相；准确地描述了A2与B2之间复杂的有序-无序转变与二级转变，以及Bcc的溶解度间隙。 (4) 实验测定了Al-Cu-Ni三元体系富Al角的相平衡，在实验研究的基础上，重新评估了该体系的相图数据、晶体学数据与热力学数据。通过热力学优化，模拟了Al-Cu_Ni体系中的Fcc_A1-Ll2和Bcc_A2-B2两个三元有序无序转变，获得了一套描述各相自由能的热力学参数。获得了Al-Cu-Ni体系1300～500℃等温截面、零变量反应、以及液相混合焓性质图，并构筑了该体系完整的希尔反应图。 (5)对Nb-Ni二元体系进行了实验研究，证实了Ni8Nb相的稳定存在并测定了其相转变温度。在本实验测定的基础上，重新评估了Nb-Ni体系的文献数据并进行了热力学优化。采用一种四步分步优化方法，获得了一套描述Nb-Ni二元系的自洽的热力学参数。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1铝及铝合金的特点及研究现状

1.1.1铝的基本特性

1.1.2铝合金的特点及应用

1.1.3我国铝业发展现状

1.1.4铝合金体系

1.1.5铝合金相图

1.2相图及其研究方法

1.2.1相图及其在材料科学中的作用

1.2.2相图的实验测定

1.2.3相图计算方法

1.3热力学模型

1.3.1纯物质的热力学描述

1.3.2溶体相的热力学模型

1.3.3点阵模型

1.3.4磁性的贡献

1.3.5有序—无序模型

1.3.6多元外推模型

1.4选题背景

第二章Al-Cr-Ti三元系晶体结构与相图测定

2.1引言

2.2数据评估

2.2.1 Al-Cr

2.2.2 Al-Ti

2.2.3 Cr-Ti

2.2.4 Al-Cr-Ti

2.3 Al-Cr相图的实验测定

2.3.1样品制备

2.3.2样品检测

2.3.3实验结果与讨论

2.4Al-Cr-Ti体系的实验测定

2.4.1实验过程

2.4.2分析与讨论

2.5 小结

3.3.4 Al-Cr-Si体系800℃等温截面的测定

3.1文献评估

3.1.1边际二元系

3.1.2 Al-Cr-Si三元体系

3.2实验研究

3.2.1合金的配制

3.2.2合金的检测

3.3结果及分析讨论

3.3.1 Cr5Si3的熔化特征

3.3.2二元相的点阵参数

3.3.3三元化合物的测定

3.3.5 Al-Cr-Si体系的零变量反应

4.4.2 Al-Cu-Fe三元系

3.3.6液相面投影图与希尔反应图

3.4小结

第三章Al-Cr-Si三元系的相图及晶体结构测定

4.1引言

4.2数据评估

4.2.1边际二元系

4.2.2晶体学信息

4.2.3三元相图

4.3实验研究

4.3.1合金的制备

4.3.2样品的检测

4.3.3实验结果

4.4热力学描述

4.4.1边际二元系

第四章：Al-Cu-Fe三元系的实验研究与热力学优化

4.5计算结果与讨论

4.6 小结

第五章Al-Cu-Ni三元系的相图测定与热力学优化

5.1前言

5.2数据评估

5.2.1边际二元系

5.2.2晶体学数据

5.2.3三元相图数据

5.2.4热力学数据

5.3实验测定与结果

5.3.1实验过程

5.3.2样品的检测

5.3.3结果与分析

5.4热力学描述

5.4.1边际二元系

5.4.2 Al-Cu-Ni三元系

5.5计算结果与讨论

5.5.1等温截面

5.5.2希尔反应图

5.5.3热力学性质

5.6 小结

第六章Nb-Ni体系的相图测定与热力学优化

6.1引言

6.2文献评估

6.2.1相图数据

6.2.2热力学数据

6.3实验研究

6.3.1实验过程

6.3.2结果与讨论

6.4热力学优化

6.4.1采用的实验数据

6.4.2热力学模型

6.4.3优化过程

6.4.4计算结果与讨论

6.5 小结

总结与展望

1.总结

2.展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果