多元铝合金中Al-Cr-Si、Mn-Ni-Si、Cr-Ni-Ti、Al-Fe-Mg-Ni-Si和Al-Cu-Fe-Mg-Ni体系的相图热力学研究

论文摘要

摘要：Al合金由于其优良的综合性能,被广泛应用于航空航天、汽车等领域。Cu、Mg、Mn、Ni、Si、Fe、Cr、Ti等元素是Al合金中主要的合金元素或添加元素。相关体系的相图和热力学信息是研究Al合金性能的理论基础。为了提高Al合金性能、改善生产工艺以及开发新型Al合金材料,建立多元Al合金精确的相图热力学数据库是非常有必要的。本论文以多元商用Al合金中的五个重要体系（Al-Cr-Si、 Mn-Ni-Si、Cr-Ni-Ti、Al-Fe-Mg-Ni-Si和Al-Cu-Fe-Mg-Ni）为研究目标,通过集成关键实验、第一性原理计算和CALPHAD （CALculation of PHAse Diagram）技术的方法获得相应体系精准的热力学数据库。本工作的主要研究成果如下：（1）对Al-Cr-Si体系进行了详细的文献评估,同时,借助于第一性原理计算了τ1（Al13Cr4Si4）和τ2（Al9Cr3Si）两个三元化合物在0K时的形成焓。基于本工作第一性原理的结果以及文献报道的实验数据和边界二元系的热力学描述,对Al-Cr-Si三元系进行了重新优化,最终得到了一套能够准确描述Al-Cr-Si体系整个成分和温度范围内的热力学参数。此外,本工作还构筑了该体系的液相面投影图和希尔反应图。（2）采用XRD、SEM/EDX等实验手段,测定了Mn-Ni-Si体系1000℃等温截面。同时,借助于第一性原理计算了τ4（MnNiSi）在0K时的形成焓。基于本工作实验和第一性原理计算的结果以及可靠的文献数据,优化计算了Mn-Ni-Si三元系。首次成功地应用同一个吉布斯自由能表达式描述了该体系中的FccAl/L12和BccA2/BccB2有序-无序转变,并获得了一套自洽的热力学参数。此外,本工作还构筑了Mn-Ni-Si体系的液相面投影图和希尔反应图。（3）应用CALPHAD方法,修订了Ni-Ti二元系的热力学描述,并对Cr-Ni-Ti体系进行了热力学优化。首次使用四个亚点阵模型描述三元系中的BccA2/BccB2有序-无序转变。基于文献报道的实验数据,获得了一套自洽的热力学参数。通过计算结果与实验结果相比可知,本工作获得的热力学参数能够准确地描述所有可靠的实验数据。（4）本工作重新优化了Al-Fe-Si三元系的富Al角并修正了描述Al-Fe-Ni三元系中Al9FeNi相的参数。结合本工作所获得的Al-Fe-Si和Al-Fe-Ni体系的热力学参数和文献中已报道的其他三元系的热力学参数,优化计算了Al-Fe-Ni-Si、Al-Fe-Mg-Si和Al-Cu-Fe-Ni三个四元系,并外推计算了Al-Fe-Mg-Si. Al-Cu-Fe-Mg和Al-Cu-Mg-Ni三个四元系,最后建立了Al-Fe-Mg-Ni-Si和Al-Cu-Fe-Mg-Ni五元系的热力学数据库。利用该数据库计算的相图数据、平衡凝固和Gulliver-Scheil非平衡凝固行为能很好地描述实验数据。基于显微模型计算了商用6063合金（Al-0.39Si-0.20Fe-0.43Mg,质量百分数）和2618合金（Al-2.24Cu-1.42Mg-0.9Fe-0.9Ni,质量百分数）的凝固过程中的相变序列。模型计算的凝固序列结果与实验数据符合得很好,说明本工作建立的热力学数据库具有较高的精准度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 Al合金及Al合金材料设计
• 1.1.1 Al合金
• 1.1.2 Al合金材料设计
• 1.2 相图实验测定方法
• 1.3 CALPHAD方法
• 1.3.1 CALPHAD方法简介
• 1.3.2 热力学模型
• 1.3.3 希尔反应图
• 1.4 第一性原理计算
• 1.5 选题背景和研究内容
• 2 Al-Cr-Si体系的热力学研究
• 2.1 引言
• 2.2 文献评估
• 2.2.1 边际二元体系
• 2.2.2 Al-Cr-Si三元系
• 2.3 Al-Cr-Si体系的热力学描述
• 2.3.1 热力学模型
• 2.3.2 计算结果与讨论
• 2.4 研究小结
• 3 Mn-Ni-Si体系的热力学研究
• 3.1 引言
• 3.2 文献评估
• 3.2.1 边际二元体系
• 3.2.2 Mn-Ni-Si三元体系
• 3.3 实验研究
• 3.3.1 实验过程
• 3.3.2 实验结果与讨论
• 3.4 Mn-Ni-Si体系的热力学描述
• 3.4.1 热力学模型
• 3.4.2 计算结果与讨论
• 3.5 研究小结
• 4 Cr-Ni-Ti体系的热力学研究
• 4.1 引言
• 4.2 文献评估
• 4.2.1 边际二元体系
• 4.2.2 Cr-Ni-Ti三元系
• 4.3 Cr-Ni-Ti体系的热力学描述
• 4.3.1 热力学模型
• 4.3.2 计算结果与讨论
• 4.4 研究小结
• 5 Al-Fe-Mg-Ni-Si体系的热力学研究及其在凝固过程中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 Al-Fe-Mg-Ni-Si体系的热力学数据库
• 5.2.1 Al-Fe-Si体系
• 5.2.2 Al-Fe-Ni体系
• 5.2.3 Al-Fe-Ni-Si体系
• 5.2.4 Al-Fe-Mg-Si体系
• 5.2.5 Al-Mg-Ni-Si体系
• 5.2.6 Al-Fe-Mg-Ni和Fe-Mg-Ni-Si体系
• 5.2.7 Al-Fe-Mg-Ni-Si体系
• 5.3 热力学模型与Gulliver-Scheil模型
• 5.3.1 热力学模型
• 5.3.2 Gulliver-Scheil模型
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 Al-Fe-Si体系
• 5.4.2 Al-Fe-Ni体系
• 5.4.3 Al-Fe-Ni-Si体系
• 5.4.4 Al-Fe-Mg-Si体系
• 5.4.5 Al-Mg-Ni-Si体系
• 5.4.6 Al-Fe-Mg-Ni-Si体系
• 5.5 研究小结
• 6 Al-Cu-Fe-Mg-Ni体系的热力学研究及其在凝固过程中的应用
• 6.1 引言
• 6.2 Al-Cu-Fe-Mg-Ni体系的热力学数据库
• 6.2.1 Al-Cu-Fe-Mg体系
• 6.2.2 Al-Cu-Fe-Ni体系
• 6.2.3 Al-Cu-Mg-Ni体系
• 6.2.4 Al-Fe-Mg-Ni和Cu-Fe-Mg-Ni体系
• 6.2.5 Al-Cu-Fe-Mg-Ni体系
• 6.3 热力学模型与Gulliver-Scheil模型
• 6.4 结果与讨论
• 6.4.1 Al-Cu-Fe-Mg体系
• 6.4.2 Al-Cu-Fe-Ni体系
• 6.4.3 Al-Cu-Mg-Ni体系
• 6.4.4 Al-Cu-Fe-Mg-Ni体系
• 6.5 研究小结
• 7 研究总结与展望
• 7.1 研究总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间主要的研究成果
• 致谢