鋁合金有序-無序相變、相圖拓?fù)潢P(guān)系及其在凝固過程的應(yīng)用.pdf

1、輕質(zhì)高強鋁合金由于其卓越的綜合性能廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車等領(lǐng)域。Cu、Fe、Mg、Mn、Ni、Si、Ti和Zn均是鋁合金中重要的合金元素或常見的添加元素，這些元素能不同程度地改善鋁合金性能。利用CALPHAD(CALculation of PHAse Diagram)技術(shù)獲得所研究體系的相圖拓?fù)潢P(guān)系并建立熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫不僅是材料動力學(xué)、顯微組織演變計算模擬的基礎(chǔ)，而且是新材料設(shè)計與研制的重要參考依據(jù)。有序-無序相變的熱力學(xué)描述是建立多元

2、系熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的難點之一。
　　 作為“多組元Al合金體系的相圖測定、熱力學(xué)計算及顯微組織演變的模擬”研究項目的一部分，本文通過實驗和熱力學(xué)計算對多元Al合金中幾個重要體系的有序-無序相變及其相圖拓?fù)潢P(guān)系進行了研究，研究結(jié)果簡述如下：
　　 (1)在評估文獻(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過X射線衍射、金相分析、掃描電鏡(能譜)和差熱分析對Al-Si-Ti體系整個成分范圍內(nèi)的相平衡關(guān)系開展了研究。確定了三元化合物τ1和τ2穩(wěn)定存在的

3、溫度和成分范圍、晶體結(jié)構(gòu)以及固相平衡。研究表明：τ1(I41/amd，與Zr3Al4Si5同構(gòu))在953℃～1000℃溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)化成L+τ2+TiSi2，τ2(Cmcm，與ZrSi2同構(gòu))在1338℃轉(zhuǎn)化成L+TiSi+TiSi2。測定了13個零變量反應(yīng)中的10個零變量反應(yīng)的溫度。綜合所有實測數(shù)據(jù)，構(gòu)筑了Al-Si-Ti體系的反應(yīng)圖和液相面投影圖。Al-Si-Ti體系平衡凝固反應(yīng)開始于偽二元共晶L=βTi+Ti5Si3(1540±5℃

4、)，穿過一系列包共晶反應(yīng)，結(jié)束于三元共晶L=τ1+(Si)+(Al)(573℃)。
　　 (2)首次實驗研究了Al-Fe-Mg三元系400℃等溫截面相圖，測定了4個三相區(qū)，該截面上未發(fā)現(xiàn)三元化合物。在嚴(yán)格評估Al-Fe-Mg體系實測相圖文獻(xiàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過熱力學(xué)優(yōu)化，獲得一套描述該體系的熱力學(xué)參數(shù)。等溫截面、液相面投影圖的計算值與實驗值的綜合比較顯示：計算能合理地描述可靠的實驗數(shù)據(jù)。利用獲得的熱力學(xué)參數(shù)，本工作還預(yù)測了Al-Fe

5、-Mg體系富Fe角和富Mg角的相圖。
　　 (3)在嚴(yán)格評估現(xiàn)有文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，對Mn-Ni二元系重新進行了熱力學(xué)優(yōu)化。使用一個熱力學(xué)方程描述有序-無序相變。對Fcc結(jié)構(gòu)的有序相與無序相，本工作采用“四亞點陣(4SL)”模型對其進行描述并優(yōu)化參數(shù)，然后轉(zhuǎn)換成用“雙亞點陣(2SL)”模型描述的參數(shù)。本工作獲得的熱力學(xué)參數(shù)可以很好地描述Mn-Ni體系的實驗相圖數(shù)據(jù)和熱力學(xué)數(shù)據(jù)，尤其是富Mn端的實驗數(shù)據(jù)。在嚴(yán)格評估Al-Mn-Ni體系實驗

6、數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，結(jié)合量熱法和第一性原理計算獲得了三元化合物的形成焓及已有的Al-Ni，Al-Mn二元系參數(shù)，將本工作獲得的Mn-Ni二元系熱力學(xué)參數(shù)外推到Al-Mn-Ni體系，獲得了一套自洽的描述Al-Mn-Ni體系的熱力學(xué)參數(shù)。所得熱力學(xué)參數(shù)能成功描述Al-Mn-Ni體系Fcc和Bcc結(jié)構(gòu)的有序-無序相變。
　　 (4)在嚴(yán)格評估現(xiàn)有文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，對Al-Fe-Zn，Al-Ni-Zn，Mn-Ni-Zn體系的相圖拓?fù)潢P(guān)系進行了研究，獲

7、得的熱力學(xué)參數(shù)可以很好地描述相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，并可望為高性能鍍鋅涂層的設(shè)計提供理論參考。實驗構(gòu)筑了Cu-Mn-Si體系700℃在整個成分范圍內(nèi)等溫截面，在700℃發(fā)現(xiàn)了一個穩(wěn)定的MgZn2結(jié)構(gòu)的三元化合物，其成分大致為Cu50.8Mn36.3Si12.9(at.％)。觀測到5個三相平衡：Mn3Si+T+(Cu)，Mn5Si3+Mn5Si2+T，Mn5Si3+MnSi+γ-Cu56Si11，MnSi+Mn11 Si19+η-Cu19Si6，和

8、Mn11Si19+η-Cu19Si6+(Si)。結(jié)合文獻(xiàn)數(shù)據(jù)和本工作獲得的實驗數(shù)據(jù)對Cu-Mn-Si體系相圖拓?fù)潢P(guān)系進行了系統(tǒng)研究，獲得了一套描述該體系的可靠的熱力學(xué)參數(shù)，并給出了Cu-Mn-Si體系的液相面投影圖和反應(yīng)圖。
　　 (5)在已有文獻(xiàn)工作的基礎(chǔ)上，對Al-Fe-Mg-Si和Al-Fe-Mn-Si兩個四元系進行了熱力學(xué)優(yōu)化評估，并對這兩個四元系富Al角的零變量反應(yīng)溫度和液相成分進行了計算，計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)符合較好。

9、在此基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的邊界二元、三元及四元系熱力學(xué)參數(shù)，建立了Al-Fe-Mg-Mn-Si五元系熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫。利用該數(shù)據(jù)庫計算的相圖數(shù)據(jù)、平衡凝固和Gulliver-Scheil非平衡凝固行為能很好地描述實驗數(shù)據(jù)?；陲@微模型計算了商用合金Al356.1(91.95Al-0.46Fe-0.3Mg-0.32Mn-6.97Si，wt.％)和Al356.2(92.77Al-0.08Fe-0.35Mg-6.8Si，wt.％)的凝固顯微組織和顯微