稀土鋁合金形成焓及缺陷問題研究.pdf

1、鋁合金作為一種重要的有色金屬結構材料，在民用和國防領域具有不可替代的地位。不過鋁合金同其他金屬一樣，越來越多的受到無機材料和高分子材料的沖擊，這必然對鋁合金的性能和使用領域提出新的要求，要大力發(fā)展新型鋁合金。稀土鋁合金正是發(fā)展出的一種性能優(yōu)良、極有前景的新型鋁合金。
　　 本論文以稀土鋁合金的形成焓和缺陷問題為主要研究內容，以對宏觀熱力學模型-Miedema模型的應用、改進、評價及與其他計算方法的比較為研究主線，通過Miedem

2、a模型、神經網(wǎng)絡、第一原理等方法對稀土鋁合金中熱力學性質特別是形成焓及缺陷問題進行了全面、系統(tǒng)的論述和研究，得到以下主要研究結論:
　　 1.通過運用Miedema模型和Toop幾何模型研究了Er在含硅鋁合金中的熱力學行為。計算了Al-Si-Er三元合金及其相關二元系各組元的活度、混合焓、過剩熵與過剩自由能，其混合焓、過剩熵與過剩自由能在整個濃度范圍內均為負值，各組元活度計算結果相對于理想熔體有較大的負偏差，說明Er與Al及Si

3、原子都有很強的相互作用。結合Al-Er，Si-Er二元相圖，計算了Al3Er，Er5Si3相的形成能，Al3Er和Er5Si3的形成能均為負值，且Er5Si3形成能比Al3Er更負，因而鉺加入含硅鋁合金中優(yōu)先與硅生成Er5Si3相，過剩的鉺才與鋁生成Al3Er相，這一結論已通過Al-Mg-Si-Er合金凝固過程時中出現(xiàn)的大量魚骨狀初生共晶組織α(Al)+ Er5Si3得到驗證。
　　 2.運用Miedema模型和幾何模型計算了A

4、l-Ni-RE(RE=Ce，La，Y)合金及其相關二元系的非晶形成范圍。Al-Ni-RE(Ce，La，Y)三元系的非晶形成范圍極為相近，其相關二元系的非晶形成范圍也幾乎一致。計算結果與實驗報道的非晶形成范圍符合的很好。計算了Al-Ni-RE(Ce，La，Y)合金的混合焓和錯配熵，Al-Ni-RE(Ce，La，Y)三元系的混合焓主要在-5-45 kJ/mol，名義錯配熵范圍為0.1-0.9，富鋁角附近則為0.1-0.3。這都表明Al-Ni

5、-RE(Ce，La，Y)合金具有良好的非晶形成能力。焓變的計算結果表明三種合金系的非晶形成能力遵循順序為GFAAl-Ni-Y＞GFAAl-Ni-La＞GFAAl-Ni-Ce，這一推論與實驗觀測一致。
　　 3.運用BP學習規(guī)則的神經網(wǎng)絡模型，建立了形成焓和一些物理因素（電負性差異、電子密度差異、原子尺寸差異和價電子原子比e/a值）之間的關系，成功地預測了Al2X型金屬間化合物的形成焓。通過ANN模型揭示了Al2X型金屬間化合物形

6、成焓的一些規(guī)律，形成焓與電化學因素之間的關系較為明顯，即隨著電負性差異的增加而減小。ANN模型的計算值和實驗值符合的很好，在預測精度上優(yōu)于Miedema模型，不過其缺點是不能清晰的描述研究對象的物理本質。
　　 4.針對Miedema模型預測精度上的問題，提出了一個改進Miedema模型來預測二元過渡族合金體系的形成焓。模型中提出了一個新的原子尺寸因子，能夠更加合理的考慮了兩個不同過渡族金屬的原子尺寸差異對形成焓的影響。改進的模

7、型簡單易行，而且精度更好、物理解釋更為合理，能夠克服現(xiàn)有的部分改進模型物理解釋上遇到的困難。
　　 5.運用Miedema模型計算了Al-X(Sc，Er, Zr, Li)四種二元系的形成焓，Al-Sc和Al-Er二元系形成焓較為接近，這暗示著Sc和Er在Al合金中可能有相似的冶金化學作用。結合空位形成理論，計算了Al-X(Sc，Er, Zr, Li)四種二元金屬間化合物系AxBy在全成分范圍內的單空位形成能，X元素的空位形成能要

8、高于Al元素的空位形成能，說明在Al-X(Sc，Er, Zr, Li)二元金屬間化合物中更易形成Al空位，這一結論與第一原理的計算結果一致。
　　 6.通過第一原理計算的Al3X(Sc，Er, Zr, Li)基本組元及其金屬間化合物的晶格常數(shù)、體模量、形成焓等參數(shù)與實驗結果符合的很好。通過對Al3X金屬間化合物點缺陷問題的研究，畫出了Al3X的成鍵電荷密度圖，揭示了Al3Sc金屬間化合物的Sc dz2-Al pz軌道雜化效應。A

9、l3Zr的成鍵電荷密度與Al3Sc相近，表現(xiàn)為明顯的Zr4d-Al3p雜化，其軌道雜化復雜程度高于Al3Sc。
　　 7.通過第一原理計算了Al3X(Sc，Er, Zr, Li)金屬間化合物的表面結構。Al3X(Sc，Er, Zr, Li)金屬間化合物部分表面具有振蕩馳豫和反對稱馳豫的特征，其中反對稱馳豫由近鄰同類原子的靜電斥力造成，其結果將產生褶皺，降低表面能，使表面結構更為穩(wěn)定。計算得到的L12型Al3X金屬間化合物表面能(

10、111)最小，(100)次之，(110)最大，這說明(111)表面最為穩(wěn)定，(100)次之，(110)最不穩(wěn)定，符合面心立方結構金屬表面能的一般規(guī)律。D(0)23-Al3Zr金屬間化合物表面能(114)最小，(100)和(110)次之，(012)最大，這說明(114)表面最為穩(wěn)定，(100)和(110)次之，(012)最不穩(wěn)定，與D(0)23正方結構表面的密排規(guī)律一致。
　　 8.通過第一原理計算的L12結構的Al3X(Sc，E