硬质合金相图热力学和扩散动力学数据库及其应用

硬质合金是由难熔金属化合物和粘结相通过粉末冶金工艺制成的材料,它具有硬度高、耐磨、强度和韧性好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能。介绍了包含C-Co-Cr-W-Ta-Ti-Nb-N等元素的硬质合金热力学和动力学数据库。简述了热力学数据库中的热力学模型和优化计算,并以C-Cr-Ta三元系为例介绍了热力学优化计算的方法和步骤。所建立的硬质合金动力学数据库包含液相和fcc相不同元素的原子迁移参数。利用修正的Sutherland方程对液相的原子迁移参数进行了评估,而fcc相原子迁移参数是基于对实验测定数据和文献数据的评估获得的。利用建立的硬质合金热力学和动力学数据库,可以计算多元系的相平衡、获取不同相的热力学性质和溶解度信息、模拟合金中元素和相的分布等。该数据库可用于设计合金成分和烧结温度、预测元素含量及烧结气氛等对梯度硬质合金形成的影响、优化合金烧结工艺等。最后指出相图热力学和扩散动力学数据库及热物性数据库结合相场、有限元方法,定量描述硬质合金结构-性能的关系是今后的发展趋势。     

Au-Pt-Sn体系热力学参数及相图研究现状与展望

较为系统地介绍了Au-Pt-Sn系中二元及三元合金的相图及相关热力学参数研究进展,包括相图分析、合金相结构以及生成焓、结合能、吉布斯自由能等热力学参数,同时介绍了该系合金体系在钎焊和化学催化产业中的应用,并提出了扩大该系合金应用值得重视的一些问题。     

Au-Pt-Sn体系相图及相关热力学参数的研究进展

较为系统地介绍了Au-Pt-Sn系中二元及三元合金的相图及相关热力学参数的研究进展,包括相图分析、合金相结构以及生成焓、结合能、吉布斯自由能等热力学参数,同时介绍了该系合金体系在钎焊和化学催化产业中的应用,并提出了扩大该系合金应用值得重视的一些问题。     

新一代飞机发动机用Nb基超高温材料设计系统开发

本研究利用CALPHAD方法,液相和端际固溶体相的自由能采用亚规则溶体模型来描述,金属间化合物相的自由能用亚点阵模型来描述,并结合相平衡实验结果和热力学性质的实验信息,对Nb-Al-Cr-Hf-Mo-Si-Ti体系合金相图进行了热力学优化与计算.计算结果与实验值取得了较好的一致性,得到一组自洽合理的热力学参数.本研究结合该体系相关合金相图热力学计算的文献报道,建立了Nb-Al-Cr-Hf-Mo-Si-Ti体系合金相图热力学数据库.该热力学数据库将为铌基高温合金材料研究与开发提供重要的基础热力学参数.     

新一代飞机发动机用Nb基超高温材料设计系统开发EI

本研究利用CALPHAD方法,液相和端际固溶体相的自由能采用亚规则溶体模型来描述,金属间化合物相的自由能用亚点阵模型来描述,并结合相平衡实验结果和热力学性质的实验信息,对Nb-Al-Cr-Hf-Mo-Si-Ti体系合金相图进行了热力学优化与计算.计算结果与实验值取得了较好的一致性,得到一组自洽合理的热力学参数.本研究结合该体系相关合金相图热力学计算的文献报道,建立了Nb-Al-Cr-Hf-Mo-Si-Ti体系合金相图热力学数据库.该热力学数据库将为铌基高温合金材料研究与开发提供重要的基础热力学参数.     

基于相场模拟对镍基高温合金制备工艺优化及设计

材料制备过程中微结构演变的定量描述是材料设计的核心。近年来基于精准热力学和扩散动力学数据库的相场模拟是对微结构演变进行定量描述一种行之有效的方法。作为航空发动机和燃气涡轮叶片等高温零部件的主要用材,高性能镍基高温合金制备工艺的优化及设计一直是各国材料学者研究的热点和难点。首先概述了相场方法及其最新研究进展,以及相场法与CALPHAD(CALculation of PHAse Diagram)数据库耦合技术的发展,随后详细介绍了国内外有关镍基高温合金凝固、固溶及时效过程微结构演变定量相场模拟的报道,以及当前用于建立镍基高温合金微结构与力学性能关系的可行方法。之后给出了两个基于定量相场模拟对镍基高温合金固溶及时效热处理机制进行优化及设计的实例,进一步证明了相场模拟在高性能镍基高温合金设计中的重要作用。最后,指出了对镍基高温合金制备过程微结构演变进行定量相场模拟以及后续工艺优化和设计中存在的主要问题及发展趋势。     

钙取代对Mg_2Si基热电材料性能的影响

采用固相反应和真空热压法,以CaSi2、Mg、Si为原料制备Ca取代的Mg2Si基热电材料,研究了钙取代对Mg2Si热电性能的影响。XRD结果表明Ca取代Mg2Si材料成相良好,测量了样品的电导率、Seebeck系数及热导率。由于Ca和Mg电负性、离子半径的不同,Ca对Mg位的替代对声子形成散射,降低了材料热导率,提高了其热电性能。     

耐磨钢铁材料中强化相设计与性质计算研究进展

强化相(硬质相)作为耐磨钢铁中的耐磨骨架,对耐磨钢铁的性能起到至关重要的作用。近年来,对于耐磨钢铁中强化相的实验研究,主要集中于耐磨钢铁中硬质相的形貌调控和力学性能上,对其热膨胀、热导率等热学性能没有全面的研究,并且硬质相的高温力学与热学性能基本为空白。总结了耐磨钢铁中强化相的研究现状和计算材料学在耐磨钢铁强化相研究中的应用,介绍了基于量子力学的第一性原理计算方法,从电子尺度上探究高铬铸铁和高速钢中合金元素对硬质相的结构、力学和热学性能的影响,并通过先进的微观结构表征和性能测试方法,将纳米尺度的原子电子行为与微米尺度的材料微观组织性能联系起来,从而有目的地选择和调控硬质相种类与性能,最终达成耐磨材料的成分设计和性能计算与实验相互统一。相关研究为建立耐磨钢铁中硬质相结构与性能数据库提供部分有价值的数据,为设计新型耐磨钢铁材料奠定基础。     

Pt基碱金属、碱土金属二元合金形成焓的亚规则模型研究

形成焓是描述合金形成能力和稳定性的重要参数。用亚规则模型对Pt—TM（TM—Li,Na,K,Rb,Cs,Fr,Be,Mg,Ca,Sr,Ra）二元合金的形成焓进行理论计算,其目的是了解这11种Pt基碱金属、碱土金属合金的热力学性质,预测其中间相的存在,为制备和开发广泛应用于催化化学工业的Pt合金材料提供理论支撑。     

多组元硬质合金的热力学研究及其在微观组织控制中的应用

硬质合金是一种多组元多相材料, 其制造过程涉及复杂的热力学和动力学过程。为了给硬质合金的开发提供理论依据,基于建立的热力学数据库CSUTDCC1,将通过CALPHAD计算模拟的结果与其他文献中的实验结果进行了比较,以验证热力学数据库的准确性和热力学计算方法的高效性。同时,为展示热力学计算在硬质合金设计中的应用,包括合金成分、烧结温度和N2气氛控制等的确定,通过热力学计算和实验验证,研究了Cr、V、Ta、Nb、Zr等元素在钴黏结相和M6C碳化物中的饱和溶解度,论述了热力学计算在硬质合金发展中的具体作用。     

Ⅲ-Ⅴ族(含氮化物)合金体系热、动力学计算机辅助分析系统

本项目以Ⅲ-Ⅴ族合金化合物半导体外延生长工艺设计为应用背景,建立了含Al-Ga-In-N-P-As-Sb-C-H等体系的Ⅲ-Ⅴ族合金化合物半导体热力学数据库。该库具有以下特点:①库中的数据都是根据严格的热力学关系,通过对体系中各种热力学性质和相平衡数据进行自洽性评估,而后取得体系中各相的热力学参数。②入库的数据与国际接轨,特别是与国际上热力学数据专门委员会——欧洲热化学学科组(SGTE)的数据相一致,有利于今后的发展和相互之间的交流;③数据库具有允许扩充、可     

不同Ca含量及合金元素对Al-Ca合金组织的影响

本文主要介绍了不同Ca含量以及合金元素Mg、Si对于Al—Ca二元合金微观组织的影响．同时运用了X射线衍射、金相观察等分析测试方法对合金的微观组织进行了定性分析。结果表明,合金中共晶相随Ca含量的增加而逐渐增加,当Ca含量为8wt．％时全部转变为共晶组织．当Ca含量达到11％时,合金中出初生Al4Ca相。在Al-8Ca合金中加入Si元素后,组织中出现随机分布的规则多边形Al2CaSi2相;当加入6％Mg元素后合金组织未发生较大改变,仍由共晶α—Al及Al4Ca两相所组成,Mg元素以固溶的形式分布在共晶基体当中。     

Ca对Mg-8Zn-3.2Al-0.9Si-0.3Mn合金显微组织及性能的影响

采用光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、带能谱分析(EDS)的扫描电子显微镜(SEM)等分析手段研究了元素Ca对Mg-8Zn-3.2Al-0.9Si-0.3Mn合金基体及Mg2Si相的细化效果及其细化机制。结果表明:Ca的加入能够使Mg2Si初生相由粗大的汉字状变为细小、弥散分布的颗粒状,并使合金基体组织显著细化。Ca对Mg2Si相的变质是以CaSi2作为Mg2Si相的异质形核核心和Ca作为表面活性元素影响其生长两种机制共同作用的结果。由于显微组织的改善,使得合金的室温和高温力学性能均得到提高。     

沉淀强化高熵合金研究进展

高熵合金是一类由多种主要元素共同组成的新型金属材料,其具有独特的微观结构和可调性能,在国内外已获得广泛关注。沉淀强化被证明是提高高熵合金屈服强度的一种非常有效的手段,并且沉淀相和基体之间的共格界面对于实现强度和塑性的良好结合非常重要。合理控制沉淀相的类型、形状、大小和体积分数是提高合金强塑性的关键因素。研究证实,采用不同的轧制、退火和时效等热处理工艺可调控合金的基体微观组织、沉淀相特征。沉淀强化高熵合金虽然表现出优异的拉伸性能和热稳定性,但目前对其疲劳、蠕变和氧化行为及相关机理等尚不清晰。因此,应对材料进行综合评价以促进性能优越的高温器件的合理设计和制造。使用计算模拟的方式对沉淀相的元素分布、电子结构、成键状态等内在特性进行量化研究,对沉淀相的演化过程进行针对性的预测和控制,有助于合理设计合金成分体系。本文综述了沉淀强化高熵合金的相形成、力学性能、热稳定性和计算机建模等方面的研究进展,归纳总结了相关问题,对今后设计沉淀强化高熵合金具有一定的指导意义。     

多组元合金的凝固热力学原理

以发展多元多相合金的凝固理论为目标，探讨了多组元合金自由能描述方法及其凝固过程的热力学平衡条件。多组元合金的自由能是由各组成元素的自由能、原子的组合排列引起熵的变化决定的理想混合自由能和由原子间交互作用引起的附加自由能三部分决定的。其中附加自由能的描述是难点，通常通过实验结果的拟合获得。固相的析出条件可通过自由能最低的热力学原理预测，而固相和液相成分的相关性则可通过化学位相等的热力学原理计算。在实际应用中，可以借鉴相图计算方法进行凝固过程的热力学分析，进而获得相图精细结构的数值计算结果。以Al Mg Si合金为算例，进行了三元合金热力学平衡条件的分析。以该热力学平衡条件计算结果为基础，引入对固相和液相中扩散过程的分析，则可实现多组元合金凝固路径的预测。     

集成材料和工艺模拟与仿真平台

学数据库．通过选择合适的数据库，就可以计算得到需要的材料设计信息。在集成材料和工艺仿真中．仅有热力学信息是不够的．体系的动力学信息也非常的重要。常见的典型问题包括相变、固化、界面反应以及微结构演化等复杂物理过程．这些物理问题都涉及到复杂的热力学和动力学过程。     

含Ag的7000系铝合金研究现状与发展趋势

A1-Zn-Mg-Cu合金是广泛应用于航空航天工业的结构材料。概述了微量Ag对A1-Zn-Mg-Cu合金组织与性能的作用机理。根据相关文献，加入Ag后，促进了时效过渡相的形成，提高了GP区和过渡相的稳定性，提高了合金的焊接性能。另一方面，向合金中添加微量Ag会促进粗大相的形成，消耗主要强化元素Zn、Mg，降低合金的拉伸性能。结合国内外含Ag铝合金的研究，指出了今后含Ag的7000系铝合金的发展方向。     

镁合金中的准晶及其相变

二十面体准晶(IQC)相强化的Mg-Zn-Y/RE合金具有优良的室温和高温力学性能,且可通过热变形处理进一步提高其力学性能。但此类Mg合金在铸造和热处理时往往会形成有害的晶体相,从而弱化IQC相的强化作用。准确了解此类Mg合金中的相变类型、序列和温度,尤其是IQC相的变化,对通过优化处理工艺提高材料性能非常重要。为深入了解Mg合金中准晶相变的规律和机制,选用成分为Mg_(95)Zn_(4.3)Y_(0.7)的合金作为研究对象,采用原位加热透射电子显微术实时研究了IQC相到面心立方W相Zn_3Mg_3Y_2和六方H相Zn_3Mg Y的相变,及W/Mg和H/Mg界面上生长IQC的固态相变。IQC→W和IQC→H的相变温度分别为720 K和727 K。金属间化合物准晶一般由液态形成,但原位加热观察发现升温至573 K和593 K时,IQC相颗粒就在六方H相和立方W相的表面上固态外延形核生长。借助像差校正扫描透射电子显微术研究了准晶和晶体间界面的原子结构,从原子尺度解释了金属间化合物准晶在固态条件下的起源。固态准晶相变的研究为认识准晶起源开辟了新天地。     

Ca3-xMg2+xNi13合金的储氢性能

为了弄清Mg含量对Ca3Mg2Ni13型化合物结构参数和储氢性能的影响,利用X射线衍射研究了Ca3-xMg2+x,Ni13(x=0.5,1.0和1.5)合金的相结构,并采用Sieverts型设备测量了其P-C-T曲线.研究表明,Mg在Ca3Mg2Ni13型化合物中的最大固溶度接近于Ca1.5Mg<,3.5>Ni13合金中的Mg含量.固溶的Mg含量增加导致化合物点阵常数减小,这可以有效地改善吸放氢热力学性能,其中Ca2Mg3Ni13吸、放氢的焓变分别为-28,30 kJ/mol H2.此外,Ca2Mg3Ni13在吸放氢循环过程中不发生氢致非晶化和氢致分解,因而具有良好的循环稳定性.     

超晶格La-Mg/Y-Ni复合储氢合金晶体结构及性能研究进展

超晶格La-Mg/Y-Ni复合储氢合金具有放电容量大、能量密度高和成本低等优点,是一种重要的氢能存储和转换材料,目前主要用做镍氢电池负极材料和直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂。La-Mg-Ni复合合金最初是在La-Ni基储氢合金的基础上,通过用部分Mg替代La而发展起来的。由于La-Mg-Ni复合合金中金属Mg熔点、沸点低,易挥发,导致采用常规熔炼法很难制备;同时合金中的Mg在碱性电解液中容易腐蚀、氧化,导致合金的循环稳定性差。为克服La-Mg-Ni复合合金制备困难和循环稳定性差等问题,研究者又在La-Ni基储氢合金的基础上,通过用部分Y替代La开发出了La-Y-Ni合金。La-Mg-Ni和La-Y-Ni复合合金具有非常相似的超晶格结构,均能表现出很好的储氢性能,均属于同一类新型超晶格结构储氢合金。本文对La-Mg/Y-Ni储氢合金近20多年的研究成果进行了梳理。本文首先介绍超晶格La-Mg-Ni和La-Y-Ni复合合金的相结构组成及相结构的演变规律,同时分析了Mg元素和Y元素部分替代La元素分别对La-Mg/Y-Ni合金结构和性能的影响,然后讨论了La-Mg/Y-Ni复合合金中的相结构...