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。     

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。     

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。     

相图热力学在能源材料中的应用

CALPHAD结合关键实验可以探究能源材料体系的多元多相反应.介绍了4个基于不同应用背景的合金体系的评估工作:液相烧结的SiC(LPSSiC)体系、转换型锂离子电池体系、掺杂Cr的TiAl基合金体系以及Zr基热障涂层体系.研究结果显示:CALPHAD热力学计算结果可以用于指导关键实验设计,从而进一步明确研究体系的相图和热力学性质.获得的实验数据又可以作为精炼CALPHAD模型和改进模型参数的输入条件.精炼后的模型参数构成的热力学数据库可用于计算各种相图(包括等温截面、垂直截面、可以用来计算可信的相图(等温截面、垂直截面及波动图)及液相面投影图.     

Ti-6Al-4V合金中α 相溶解的三维定量相场模型

将三维扩散控制的定量相场方法与Kim-Kim-Suzuki模型相耦合,并以CALPHAD数据库的动力学与热力学数据为依据,研究了Ti-6Al-4V合金中的α相的溶解。将一维溶解动力学与DICTRA结果对比,确定了不同固溶温度下的动力学系数。α相在溶解过程中的Al和V成分分布、扩散路径与DICTRA计算数据吻合较好,从而验证了定量相场模型的正确性。通过单个球状α相的三维溶解模拟研究发现,α相体积分数随时间演化符合指数衰减规律,单个α相的溶解并不简单是生长的逆过程。     

基于热力学与动力学相结合的灰铸铁凝固数值模拟

以凝固理论、传热学原理和灰铸铁凝固特性等为基础,采用热力学方法与动力学方法相结合的模拟技术建立灰铸铁模拟框架。对初生奥氏体析出采用热力学计算模型,建立固相率与温度的关系;对共晶相采用动力学计算模型,即形核生长的计算模型,通过建立生长速度与过冷度的关系来确立固相率与过冷度的关系。通过对阶梯形铸件的实验和模拟的数据对比,验证了此方法可以正确地描述灰铸铁凝固过程的行为。     

金属有机骨架材料MIL-96的制备及其对萘的吸附性能研究

通过水热法合成铝基-金属有机骨架(MOFs)MIL-96材料,并将其作为吸附剂用于脱除水溶液中的萘。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和N_2吸附-脱附等方法对材料进行表征。通过考察吸附动力学、吸附等温线以及热力学特征研究了MIL-96材料的吸附性能。研究结果表明:在温度298K、MIL-96材料用量为0.5g/L时,对萘的最大去除率达到约98%;MIL-96对萘的吸附特征符合准二级吸附动力学模型,Temkin和D-R等温吸附模型对萘吸附过程的描述比其他模型准确;Temkin等温吸附方程中吸附热相关系数表明,MIL-96吸附水溶液中萘的过程为吸热过程,热力学参数中正的标准焓变(ΔH~o)值也说明该吸附过程为吸热过程。     

相图计算的研究进展

相图计算已经成为材料设计、冶金和化工等过程模拟的重要工具,越来越受到人们的重视.概述了相图计算(CALPHAD)的发展现状,重点强调了相图计算中描述有序相的模型、量子力学第一性原理与相图计算方法的结合和热力学与动力学的结合,并简要预测了今后相图计算的发展方向.     

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.     

热轧带钢层流冷却过程的温度预测模型

通过焓法模型和相变热力学和相变动力学模型来研究分析热轧带钢在层流冷却过程中的能量变化,利用层流冷却过程中带钢的温度场和热焓场的计算结果来预测带钢冷却后的温度,并验证热轧带钢层流冷却过程并非带钢温度下降的过程,而是带钢能量传递给了周围的环境。     

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.     

多元铝合金相图热力学、热物性质数据库及其应用

精确的热力学、热物性质数据库是对多元多相材料制备过程中微观结构演变定量描述的关键.高性能铝合金作为航空航天和国民生产用重要结构材料,其制备工艺的优化和设计一直备受关注.首先概述了多元多相铝合金热力学数据库构筑的方法及其最新研究进展,重点介绍了多元多相铝合金相平衡的测定方法和TEM、3DAP及第一原理计算在铝合金热力学数据库构筑中的辅助作用.随后介绍了多元多相铝合金扩散系数、粘度、摩尔体积数据库构筑的最新研究进展.给出3个实例介绍了热力学数据库和热物性质数据库在铝合金凝固过程中微观结构演变模拟的应用.最后简单总结了多元铝合金热力学和热物性质数据库目前面临的问题和挑战.     

机械合金化制备Co-Cu纳米晶过饱和固溶体

根据Miedema半经验理论建立Co-Cu二元系机械合金化过程的热力学模型,讨论机械合金化法制备的Co-Cu(原子分数为20%)纳米晶过饱和固溶体的热力学和动力学特点。结果表明:采用机械合金化法可以获得Co-Cu纳米晶过饱和固溶体;热力学计算结果显示,Co-Cu二元系不具有形成固溶体的热力学驱动力,Co-Cu合金经机械合金化制备纳米晶过饱和固溶体的驱动力主要来源于动力学。     

计算材料热力学与镁合金设计

计算材料学经过近30年的发展,已形成针对材料不同层次和尺度的理论模型,包括第一性原理计算、分子动力学、蒙特卡洛模拟、相场理论、CALPHAD技术及有限元分析等。其中计算材料热力学在多层次跨尺度材料设计中占据重要的地位。通过计算材料热力学获得的多元合金体系的相关系、相组成和相对量、相转变驱动力及其它热化学数据等基础性研究成果,将直接服务于相关材料的设计与研发。简要介绍了计算材料热力学的发展历程及其基本原理,结合Mg基合金设计过程,基于建立的部分Mg合金体系的热力学数据库,从固溶强化、时效强化、析出强化、晶粒细化、非晶形成能力等方面,对Mg合金体系的热力学评估方法和研究现状进行了概述,并根据Mg合金热力学数据库中关于Mg-Zn-Zr/Ca体系的热力学特征函数,计算相平衡关系,示例分析了Mg-Zn合金中Zr和Ca的合金化作用。     

金属基复合材料的热力学与动力学研究进展

首先介绍了材料热力学和动力学模型,然后介绍了采用材料热力学和动力学模型在复合材料增强相与基体界面反应控制、反应自生增强相种类选择、反应自生增强相尺寸调控、复合材料体系设计以及复合制备工艺优化等方面研究和应用,最后进行了总结和展望。     

基于Hertz接触力模型的惯性平台内框架组件失稳倒台动力学建模与仿真分析

针对惯性平台内框架失稳倒台故障,基于Hertz接触力模型建立内框架组件倒台时的动力学模型,全面分析了倒台时内框架与挡块的碰撞力变化过程。之后使用Ansys Workbench仿真软件,建立并分析平台内框架失稳倒台的动力学模型。计算出在倒台过程中挡块的应力分布云图。将两者相比较,证明了所建立的动力学模型以及各项分析的正确性,为后续的平台设计提供了重要的参考。     

基于Pandat的Ti-Al系相图计算及热力学评估

基于相图计算理论,用Pandat 2016热力学计算软件、最新的钛合金数据库和热力学模型,计算研究了Ti-Al二元系相图。从相律、相图的特殊点、各相存在的范围、相变点等方面对其进行了详细的热力学评估。计算结果表明:计算相图和实验相图吻合得较好,其相对误差基本都在5%以内,为推广到三元或更高元体系相图奠定了基础。随后提出了一个新的计算Ti-Al二元系中(α+β)/β相变点的公式,其置信度为99.982%,与经验计算公式相比,计算更为准确,具有一定的参考价值和学术交流意义。     

基于全时域方法的自由活塞斯特林发电机工作特性研究

为了研究自由活塞斯特林发电机(FPSE)工作过程中内部参数的变化规律及耦合特性,根据各组件所经历的物理过程建立了全时域数值计算模型,进行了斯特林发电机热力学过程与动力学过程耦合求解分析。通过设计参数的输入获得了不同工况下1 kW FPSE的工作特性,计算结果与实验测试结果符合性良好。研究表明,全时域计算模型可为后续斯特林发电机提供设计指导及性能预测。     

低温变形Nb微合金钢铁素体相变的数学模型

以热力学和动力学理论为基础，研究了Nb微合金钢热变形过程中铁素体相的形核及长大过程，在形核速率计算中引入变形储能、晶界凸阶及微合金元素的作用，建立了低温变形诱导铁素体相变的动力学模型，分析了热变形参数和化学成分对相变分数和晶粒尺寸的影响．变形温度的降低和变形程度的增加，促进了α相变过程，相变体积分数增加，晶粒得到细化．C与Mn含量增加的效果则相反．模型应用于热轧带钢生产过程的模拟，计算结果和实测结果吻合良好．     

N自由度柔性机械臂通用的动力学建模方法研究

针对多自由度柔性机械臂动力学建模过程复杂的问题,提出一种适用于N自由度柔性臂刚柔耦合动力学建模的通用方法。该方法基于拉格朗日方程(Lagrange)和假设模态法(ASM),归纳推导得到了N自由度柔性机械臂动力学模型的最简通用符号表达式,根据该建模方法开发了"N-DOF柔性机械臂动力学方程符号计算软件";最后以两自由度柔性机械臂为例进行位置跟踪控制实验,用开发的软件自动生成了动力学模型,并搭建了实物模型进行对比验证,结果具有一致性,表明了该建模方法的正确性。与传统建模方法相比,该建模方法可减少90%以上计算时间,极大降低了建模过程的复杂性,同时对多自由度柔性臂动力学建模也具有通用性。