Al-Ce-Mn-Ni體系相平衡與非晶形成能力研究.pdf

1、Al基非晶因為具有高強度、高耐蝕性、低密度等優(yōu)異性能及在航空航天中的潛在應(yīng)用，在國際材料界及工業(yè)界引起了廣泛關(guān)注。非晶形成能力研究，特別是用熱力學(xué)方法預(yù)測非晶合金的形成能力是非晶研究的重要方向之一。用熱力學(xué)方法預(yù)測非晶合金形成能力的關(guān)鍵是要有可靠的相圖和熱力學(xué)信息。作為國家自然科學(xué)基金項目《Al-Ce-Mn-Ni體系相圖與非晶準(zhǔn)晶形成關(guān)系研究》的主要部分，本論文通過實驗測定和相圖計算CALPHAD技術(shù)、結(jié)合第一原理方法計算化合物生成焓，

2、對Al-Ce-Mn-Ni體系中Ce-Mn二元系、Al-Ce-Mn三元系和Al-Ce-Ni三元系的相關(guān)系進行了系統(tǒng)研究。在此基礎(chǔ)上，對Al-Ce-Ni體系的非晶形成能力與熱力學(xué)的關(guān)系進行了研究。本論文主要研究成果如下： (1)用XRD、SEM/EDX方法準(zhǔn)確測定了Al-Ce-Mn-Ni體系中Ce-Mn二元相圖。在此基礎(chǔ)上結(jié)合DTA實驗測定零變量反應(yīng)溫度和液相溫度，用CALPHAD方法首次對Ce-Mn體系進行熱力學(xué)優(yōu)化計算，獲得了一

3、套描述Ce-Mn體系的熱力學(xué)參數(shù)。獲得的參數(shù)成功用于Al-Ce-Mn體系的熱力學(xué)優(yōu)化。 (2)用XRD、SEM/EDX和EPMA技術(shù)結(jié)合物相晶格常數(shù)分析，對既能形成非晶又能形成準(zhǔn)晶的Al-Ce-Mn體系500和600℃的相關(guān)系進行了系統(tǒng)的實驗研究。實驗證實500和600℃都存在化合物τ1(Al10CeMn2)。實驗構(gòu)筑了Al-Ce-Mn體系500和600℃的等溫截面。根據(jù)實驗結(jié)果，對Al-Ce-Mn體系富Al端進行了熱力學(xué)優(yōu)化，

4、獲得了一套描述該體系的熱力學(xué)參數(shù)。 (3)用XRD和SEM/EDX技術(shù)結(jié)合X-射線晶格常數(shù)分析，對Al-Ce-TM(TM-過渡金屬)體系中具有強非晶形成范圍的Al-Ce-Ni體系中的三元化合物和500℃和800℃的相平衡進行了系統(tǒng)的實驗研究。實驗首次確定了化合物τ7(Al7CeNi2)的晶體結(jié)構(gòu)和成分。實驗發(fā)現(xiàn)三個新的三元化合物：500℃時存在化合物τ3(Al35Ce16.5Ni48.5)；800℃時存在化合物τ11(Al59.

5、8Ce12.1Ni28.1)和τ12(Al40.3Ce30.4Ni29.3)。實驗初步確定τ12的晶體結(jié)構(gòu)為正交結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上構(gòu)筑了Al-Ce-Ni體系500℃和800℃等溫截面?；诳煽康腁l-Ce-Ni二元系參數(shù)，利用熱力學(xué)外推計算方法對富Ni端存在液相的原因進行了熱力學(xué)分析和實驗驗證。熱力學(xué)計算表明：富Ni端Al含量大于1at.％時，800℃將出現(xiàn)液相。XRD、SEM/EDX和DTA實驗驗證了熱力學(xué)計算的結(jié)果，修正了文獻中的錯誤

6、，進一步說明本工作實測相圖的準(zhǔn)確性。綜合運用實驗、第一原理計算和CALPHAD方法首次對Al-Ce-Ni體系富Al端進行了熱力學(xué)優(yōu)化，優(yōu)化得到了一套自洽的描述Al-Ce-Ni體系富Al端的熱力學(xué)參數(shù)。通過CALPHAD方法優(yōu)化得到的化合物生成焓與實驗測定及第一原理方法計算的生成焓很好的一致。用優(yōu)化的參數(shù)計算的Al-Ce-Ni體系相圖與實測相圖很好的一致。計算的垂直截面及零變量反應(yīng)與DTA實驗結(jié)果也很好的吻合。 (4)根據(jù)熱力學(xué)優(yōu)

7、化結(jié)果，研究了Al-Ce-Ni合金的非晶形成能力與Al-Ce-Ni體系相圖的關(guān)系。研究表明Al-Ce-Ni體系容易形成非晶的合金成分遠(yuǎn)離共晶區(qū)域，即Al-Ce-Ni非晶的形成不存在深共晶的概念。研究發(fā)現(xiàn)Al-Ce-Ni組元間負(fù)的液相混合焓是影響Al-Ce-Ni非晶形成的一個重要因素。容易形成非晶的Al-Ce-Ni合金的液相混合焓在(-15至-49kJ/mol)之間。負(fù)的液相混合焓提高了過冷液相的穩(wěn)定性。高溶質(zhì)含量的Al基Al-Ce-Ni

8、合金增強了形成化學(xué)短程有序的趨勢，提高了原子堆垛效率及過冷液體的流動性，從而更容易形成非晶。共晶成分的合金由于不太負(fù)的液相混合焓(～8kJ/mol)難以形成非晶。熔體旋淬制備Al-Ce-Ni非晶合金實驗研究結(jié)果表明Al-Ce-Ni合金的非晶形成能力與液相混合焓不成正比。對過冷液相中各晶體相析出的驅(qū)動力計算結(jié)果表明：過冷液相中各晶體相驅(qū)動力小的合金的非晶形成能力強。因此得到：合金組元間有較負(fù)的混合焓(≤-15kJ/mol)和各晶體相驅(qū)動力