Ni合金相圖、相平衡及相變的熱力學(xué)研究.pdf

1、成功設(shè)計(jì)材料的關(guān)鍵一環(huán)是獲得所研究材料體系的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)信息。本工作主要針對(duì)具有重要工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的Ni合金體系進(jìn)行材料熱力學(xué)基礎(chǔ)研究。選取的研究體系有：Ce-Ni、B-Ni、Cu-Mg-Ni、Fe-Ni-Zn、Al-Cr-Ni和Al-Ni-Si。對(duì)于工程應(yīng)用而言，本研究的目的之一是為了擴(kuò)充Ni基體系的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，為材料設(shè)計(jì)和制備提供有效的熱力學(xué)信息。對(duì)于材料熱力學(xué)基礎(chǔ)性研究而言，本工作旨在尋找并解決現(xiàn)今材料熱力學(xué)研究當(dāng)中尚未妥善解決

2、的一些問題，利用設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和相圖計(jì)算(CALPHAD：CALculationof PHAse Diagram)相結(jié)合，并適當(dāng)結(jié)合第一性原理計(jì)算探尋出一種精確構(gòu)筑合金熱力學(xué)相圖的普適性方法。
　　 通過對(duì)本工作選取的若干重要Ni合金體系的研究，以及對(duì)當(dāng)前材料熱力學(xué)研究的若干問題進(jìn)行分析，可將本工作研究具體內(nèi)容及要點(diǎn)概括如下：
　　 1.利用實(shí)驗(yàn)相圖測(cè)定和第一性原理計(jì)算相結(jié)合的方法，精確構(gòu)筑了Cu-Mg-Ni、Fe-Ni-Z

3、n、Ce-Ni、Al-Cr-Ni和Al-Ni-Si體系的相圖。并通過CALPHAD方法準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出未知區(qū)域的相平衡、相變及合金的熱力學(xué)性質(zhì)，如金屬間化合物生成焓、化學(xué)活度等等。本研究工作為Ni合金的材料設(shè)計(jì)提供了可靠的熱力學(xué)理論依據(jù)，并準(zhǔn)確揭示出相關(guān)體系合金相變的復(fù)雜性。
　　 2.在對(duì)Cu-Mg-Ni體系的熱力學(xué)研究中，探討了邊界二元系對(duì)于三元體系熱力學(xué)研究的重要性，對(duì)當(dāng)前日益增多的材料熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫所引起的問題提出了有效的建議

4、。此外，還成功地預(yù)測(cè)了Cu-Mg-Ni體系中多個(gè)Laves相共存狀態(tài)下的熱力學(xué)穩(wěn)定性及相平衡。
　　 3.通過研究Fe-Ni-Zn的二元邊界體系Fe-Zn和Ni-Zn，揭示出鍍鋅工業(yè)體系熱力學(xué)建模存在的科學(xué)問題，并糾正了已報(bào)道的Fe-Zn和Ni-Zn體系熱力學(xué)計(jì)算的錯(cuò)誤。利用第一性原理和CALPHAD計(jì)算相結(jié)合的方法說明了理論計(jì)算對(duì)實(shí)驗(yàn)難度較大的含Zn體系相圖構(gòu)筑的可行性和有效性。相關(guān)工作不僅為Fe-Zn和Ni-Zn這兩個(gè)鍍鋅工

5、業(yè)中最為重要的體系提供了熱力學(xué)依據(jù)，而且對(duì)鍍鋅工業(yè)體系的熱力學(xué)研究方法提供了可借鑒模式。
　　 4.在Ce-Ni體系的熱力學(xué)研究中，綜合利用設(shè)計(jì)型關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)、第一原理和CALPHAD計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了Ce-Ni相圖的精確熱力學(xué)描述。此外，對(duì)普遍處理為線性化合物的CeNi5相進(jìn)行了細(xì)致的研究，利用電子探針方法測(cè)定出CeNi5存在不可忽略的固溶度，并對(duì)其熱容隨溫度的變化其進(jìn)行了精確的熱力學(xué)描述。
　　 5.在B-Ni合金體系的研

6、究中，本工作開創(chuàng)了一種節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，方便快捷，并能精確測(cè)定合金比熱的實(shí)驗(yàn)方法。避免了比熱測(cè)定中，由于坩堝質(zhì)量不同造成的實(shí)驗(yàn)誤差，提高了合金比熱測(cè)定的精度和靈活度。利用該方法成功測(cè)定出了金屬間化合物NiB在40至950℃之間的比熱曲線。
　　 6.利用有序-無序相變熱力學(xué)模型成功描述了Al-Ni-Si和Ni-Zn合金體系中fcc_L12和bcc-B2兩種有序相，克服了使用不同模型對(duì)有序相和無序相分別進(jìn)行描述造成的無法描述共格有序相

7、變的情況，并使得熱力學(xué)模型和晶體結(jié)構(gòu)信息相一致。在對(duì)Al-Ni-Si和Ni-Zn體系的熱力學(xué)研究中，體現(xiàn)了有序-無序相變熱力學(xué)模型對(duì)于二元，三元及多元合金體系的普適性。
　　 7.在Al-Ni-Si體系的研究中，凸顯了設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)用以測(cè)定相圖的必要性，相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)構(gòu)筑而言，借助CALPHAD方法的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝻@著提高相圖測(cè)定的精確度，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)的工作量最小化。
　　 本工作不僅對(duì)具體的合金體系進(jìn)行了相圖熱力學(xué)研究，并