AL-Cu-Fe-Mg-MN-Si體系的相圖熱力學(xué)研究及凝固過程中相變序列的預(yù)測.pdf

1、材料的熱力學(xué)信息是進(jìn)行材料動(dòng)力學(xué)計(jì)算及微觀組織演變模擬的基礎(chǔ)，因此CALPHAD(CALculation of PHAse Diagram)技術(shù)在材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)中發(fā)揮著越來越重要的作用。Cu、Fe、Mg、Mn、Si是多元商業(yè)鋁合金中的主要合金或雜質(zhì)元素。為了設(shè)計(jì)并開發(fā)新一代高性能鋁合金，必須建立精確的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫。本論文針對(duì)商業(yè)鋁合金中的重要體系A(chǔ)l-Cu-Fe-Mg-Mn-Si展開研究，力求為多組元鋁合金的應(yīng)用開發(fā)提供可靠的熱力學(xué)描

2、述。本工作的主要思路是:首先，基于已經(jīng)發(fā)表的相關(guān)二元體系的熱力學(xué)描述，利用本工作的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，分別對(duì)Cu-Fe-Si、Cu-Mg-Si、Fe-Mg-Si、Cu-Fe-Mg三元系進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，得到一套可以合理描述Cu-Fe-Mg-Si體系的熱力學(xué)參數(shù);之后，結(jié)合本研究室已完成的其它相關(guān)二元系、三元系、四元系的熱力學(xué)參數(shù)，構(gòu)建Al-Cu-Fe-Mg-Mn-Si六元系熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫。最后，利用該數(shù)據(jù)庫對(duì)商業(yè)鋁合金的重要體系進(jìn)行熱

3、力學(xué)計(jì)算，并用希爾凝固模型預(yù)測一系列商業(yè)鋁合金在凝固過程中的相變序列。
　　本工作取得的主要成果由以下六部分組成:
　　(1)在對(duì)文獻(xiàn)報(bào)道的相圖和熱力學(xué)數(shù)據(jù)嚴(yán)格評(píng)估的基礎(chǔ)上，綜合利用X射線分析法(XRD)、掃描電鏡(SEM/EDX)、電子探針顯微分析(EPMA)和差熱分析(DTA)對(duì)Cu-Fe-Si體系整個(gè)成分范圍內(nèi)的相平衡關(guān)系進(jìn)行了研究。測定了Cu-Fe-Si體系在750℃的等溫截面，獲得了該體系在30和70 at.％ C

4、u的垂直截面上的相轉(zhuǎn)變溫度?；诒敬螌?shí)驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，對(duì)Cu-Fe-Si體系進(jìn)行了熱力學(xué)優(yōu)化計(jì)算，得到了該體系一套比文獻(xiàn)報(bào)道更為合理的熱力學(xué)參數(shù)。此外，將所獲得的熱力學(xué)參數(shù)應(yīng)用到對(duì)抑制鋼鐵“表面裂紋”的合金元素選擇和“核-殼材料”的形成成分范圍預(yù)測中。本工作中還對(duì)三元體系的液相溶解度間隙的形成判據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析及歸納。
　　(2)通過粉末冶金方法制備了Cu-Mg-Si三元合金樣品，利用X射線分析法測定了該三元系在500℃和

5、700℃的相關(guān)系，并證明了三元化合物Sigma(Cu16Mg6Si7)、 Tau(Cu3Mg2Si)和Laves_C15((Cu0.8Si0.2)2(Mg0.88Cu0.12))相的存在。通過嚴(yán)格評(píng)估文獻(xiàn)中的相圖和熱力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)，并結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)Cu-Mg-Si體系進(jìn)行了熱力學(xué)優(yōu)化計(jì)算，成功地對(duì)有復(fù)雜相關(guān)系的Laves相進(jìn)行了熱力學(xué)模擬。
　　(3)在對(duì)文獻(xiàn)中Fe-Mg-Si體系的相圖數(shù)據(jù)和熱力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格評(píng)估的基礎(chǔ)上，對(duì)

6、該體系進(jìn)行熱力學(xué)優(yōu)化，得到了一套可以合理描述該體系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的熱力學(xué)參數(shù)?；谒@得的熱力學(xué)參數(shù)構(gòu)筑了Fe-Mg-Si體系的液相面投影圖和反應(yīng)圖，并詳細(xì)描述了在富Mg端和富Fe端的液相溶解度隙的復(fù)雜零變量反應(yīng)。
　　(4)采用粉末冶金方法測定了Cu-Fe-Mg三元系在室溫、500和700℃的相關(guān)系。該體系中未發(fā)現(xiàn)三元化合物。通過熱力學(xué)外推的方法，得到該三元系的熱力學(xué)參數(shù)，并對(duì)該體系在室溫、500和700℃的等溫截面進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果

7、與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明利用熱力學(xué)外推方法就可以很好地描述該體系。利用外推的結(jié)果，本工作還預(yù)測了Cu-Fe-Mg體系一系列的等溫截面和關(guān)鍵的垂直截面，并構(gòu)筑了Cu-Fe-Mg體系完整的液相面投影圖與反應(yīng)圖。
　　(5)將上述工作得到的Cu-Fe-Si、Cu-Mg-Si、Fe-Mg-Si、Cu-Fe-Mg體系的熱力學(xué)參數(shù)與本研究室已完成的其它相關(guān)二元系、三元系及四元系參數(shù)相結(jié)合，建立了Al-Cu-Fe-Mg-Mn-Si六元系熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫。

8、基于所建立的六元系數(shù)據(jù)庫，本工作對(duì)Al-Cu-Mg-Mn、Al-Cu-Fe-Mg、Al-Cu-Fe-Si、Al-Cu-Mg-Si、Al-Fe-Mg-Si四元系和Al-Cu-Fe-Mg-Si、Al-Cu-Fe-Mg-Mn五元系進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算，得到了以上所有體系富Al角含液相的零變量反應(yīng)溫度和成分，并繪制了Al-Cu-Mg-Mn、Al-Cu-Fe-Mg、Al-Cu-Fe-Si、Al-Cu-Mg-Si、Al-Fe-Mg-Si四元系在富Al角

9、的液相面投影圖。計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)取得了良好的一致性。此外，本工作還計(jì)算了Al-Cu-Fe-Mg-Si五元系在Al-Cu、Al-Si、Al-Mg邊界的液相面投影圖，以及Al-Cu-Fe-Mg-Mn五元系在Al-Cu、Al-Mg、Al-Mn邊界的液相面投影圖。
　　(6)在本工作建立的Al-Cu-Fe-Mg-Mn-Si六元系熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，采用杠桿定律和Scheil模型對(duì)Al-Cu、Al-Mg、 Al-Si系列的17個(gè)商業(yè)鋁合