Mg-Pr二元体系热力学优化（3）

相图热力学优化是材料设计理论和方法最重要的组成部分，是新材料的开发和应用的重要依据之一。相图计算即CALPHAD技术，主要是依据化学热力学原理和基本关系，计算热力学体系的平衡性质。一个物质体系的热力学特征函数确定以后，这个物质体系的全部热力学性质都可以计算出来，其中包括相图。镁合金是最轻的一种金属结构材料，广泛应用于航空航天、汽车、电子工业等许多领域。镁-镨合金作为镁合金的一种，也具有非常广阔的应用前景。本工作采用瑞典皇家工学院开发的相平衡计算软件Thermo-Calc系统，利用CALPHAD技术，通过选择或建立合理的热力学模型，将相图和热力学数据联系起来，对镁-镨二元合金体系相图和热力学数据进行热力学优化和评估，获得自洽的Mg-Pr体系的热力学描述即体系中所有物相，包括溶体相和金属间化合物的Gibbs自由能，为相关材料的设计和工艺制定服务。     

Mg—Pr二元体系热力学优化（1）

相图热力学优化是材料设计理论和方法最重要的组成部分，是新材料的开发和应用的重要依据之一。相图计算即CALPHAD技术，主要是依据化学热力学原理和基本关系，计算热力学体系的平衡性质。一个物质体系的热力学特征函数确定以后，这个物质体系的全部热力学性质都可以计算出来，其中包括相图。镁合金是最轻的一种金属结构材料，广泛应用于航空航天、汽车、电子工业等许多领域。镁-镨合金作为镁合金的一种，也具有非常广阔的应用前景。本工作采用瑞典皇家工学院开发的相平衡计算软件Thermo—Calc系统，利用CALPHAD技术，通过选择或建立合理的热力学模型，将相图和热力学数据联系起来，对镁-镨二元合金体系相图和热力学数据进行热力学优化和评估，获得自洽的Mg—Pr体系的热力学描述即体系中所有物相，包括溶体相和金属问化合物的Gibbs自由能，为相关材料的设计和工艺制定服务。     

Pt-Al-Cr体系的相图集成建模与计算

Pt基高温合金是一类力学性能和抗氧化性优异的高温合金，开发相关的热力学数据库是进行该类合金设计的必要前提。本文系统整理和评估了Pt-Al-Cr体系热力学数据、相图的实验数据和第一性原理计算数据，计算了Pt-Al、Pt-Cr和Al-Cr的混合焓和形成焓等热力学性质，计算得到的相图和热力学性质与实验数据和第一性原理计算数据吻合较好。在此基础上，结合相图计算方法(CALPHAD)通过热力学外推优化建立Pt-Al-Cr三元体系的成分-温度相图模型。使用该模型计算Pt-Al-Cr体系液相面投影图和873.15、1 073.15、1 273.15 K的等温截面图，热力学计算结果与实验数据吻合较好。     

基于CALPHAD的高温高压相图建模

高温高压相图在物理化学、矿物学、地球科学和极端条件下的材料科学中都具有重要的地位和应用价值，相图计算方法(alculation of phase diagram, CALPHAD)是建立温度-压强热力学相图和热力学数据库的主要方法，可以计算材料体系的相平衡、组成相的相分数和相成分、热力学性质，一定程度上解决单一实验建立高温高压相图的困难。本文对基于CALPHAD的高温高压相图建模方法进行了详细介绍，并总结其当前面临的问题和下一步研究方向，为极端条件下材料设计和性能评估奠定基础。     

高性能铜合金热力学数据库的开发及其在材料设计中的应用

利用相图计算(CALPHAD)方法,采用亚规则溶体模型描述溶体相的吉布斯自由能,采用亚点阵模型描述金属间化合物和有序相的吉布斯自由能,并结合相平衡和热力学性质的实验数据,优化与计算Cu-X二元系以及Cu-Fe、Cu-Ni、Cu-Cr、Cu-Co、Cu-Mo和Cu-W基各三元系的相图,获得自洽性良好的热力学参数,并建立铜合金热力学数据库。该数据库可以提供稳定和亚稳的相图计算、相分数计算、液相面计算、热力学性质的计算等多种信息,为外推计算铜基多元合金系的相平衡提供理论基础,并为高性能铜合金材料的设计及制备提供重要的理论指导。     

Mo-RE二元合金相图的热力学数据库

利用CALPHAD方法,选择和建立合理的热力学模型,并结合相平衡及热力学性质的相关实验信息,对Mo-RE (RE: Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Ho, Er, Tm, Yb, Lu)各二元系相图进行了热力学优化与计算。其中,液相和端际固溶体相的Gibbs自由能采用亚正规溶体模型描述,气相的Gibbs自由能采用理想气体模型描述。计算结果与实验数据取得了良好的一致性,最终得到了一组自洽的合理描述Mo-RE二元系各相自由能的热力学参数,建立了Mo-RE (RE: Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Ho, Er, Tm, Yb, Lu)二元合金相图的热力学数据库。该热力学数据库可以提供相平衡及热力学性质等多种信息,为外推计算三元以及更多组元体系的相平衡提供理论基础,并为相关体系的合金设计及制备提供重要的理论指导。     

Ir-Pt二元相图的优化计算

利用Pandat相平衡热力学计算软件优化和计算了Ir-Pt二元相图。采用SGTE(Science Group Thermodata Europe)数据库中的表达式描述纯组元(Ir和Pt)的Gibbs自由能,采用固溶体相热力学模型描述Ir-Pt二元体系中的液相和固溶体相。利用Pandat中的PanOptimizer优化平台,并结合最新的相关数据,对Ir-Pt二元体系中各相的参数进行了优化,优化得到了Ir-Pt二元体系中各相的热力学参数。利用优化的热力学参数对Ir-Pt二元合金相图进行了计算,计算得到的相图表明调幅分解的临界点为995℃、50%Ir(摩尔分数)左右,与SGTE贵金属合金数据库所提出的Ir-Pt二元体系在相图和热力学数据上都较为吻合。     

La-Mg-Ni体系富镁角的热力学优化与计算

运用CALPHAD方法系统地对La-Mg-Ni三元体系富镁角进行热力学优化与计算。选取置换溶液模型描述液相,三亚点阵模型描述La2Mg17-xNix,定化学计量比化合物模型描述LaMg2Ni,最终获得一组具有良好自恰性的热力学模型与参数。通过相图软件Pandat计算获得该区域的液相投影面图、673和773 K下的等温截面相图以及平衡反应等,且计算得到的相图和热力学数据与试验数据较好地吻合。     

Ag-Zr-Y体系相平衡的实验测定与热力学计算（英文）

利用XRD、SEM-EDS技术研究Ag-Zr-Y体系在800、600和500℃的相平衡。测定Y在Ag₂Zr和AgZr相以及Zr在Ag₅₁Y₁₄、Ag₂Y和AgY相中的溶解度。在这些相图的等温截面中未发现三元化合物的存在。根据本研究和文献报道的实验数据，采用CALPHAD相图计算方法对Ag-Zr-Y体系进行热力学评估。采用置换溶液模型描述熔体相以及亚点阵模型描述二元化合物。通过优化得到一套自洽且能准确描述Ag-Zr-Y体系的热力学参数。计算几个代表性的等温截面和液相面投影图，并构筑Ag-Zr-Y体系的希尔反应图。计算结果与实验数据相吻合。     

热力学优化Bi-Ni二元系

基于文献报导的实验数据,采用相图计算（CALPHAD）方法,热力学优化了Bi-Ni二元系相图。该二元系的液相、fcc_A1（Ni）相和rhombohedral_A7（Bi）相用替换溶液模型来描述,其过剩吉布斯自由能用Redlich-Kister多项式来表达。考虑到晶体结构（NiAs型）以及与多组元体系热力学数据库的兼容性,中间化合物BiNi相采用亚点阵模型：（Bi）（Ni,Va）（Ni,Va）;Bi3Ni相处理为化学计量比化合物。最后,通过优化该二元系实测的相图和热力学数据,获得一组能够表达各相吉布斯自由能的自洽的热力学参数。根据这些热力学参数计算的相图和热力学数据与报导的实验数据吻合良好。     

镍基高温合金相关相图的高通量测定与热力学优化

对相图的常用实验测定方法进行综述,以Cr-Ni-Ru三元体系相图的高通量测定为例,展示高效测定二元、三元相图的扩散多元节方法。基于相图计算(Calculation of phase diagrams,CALPHAD)方法,以Cr-Ru二元体系和Cr-Ni-Ru三元体系的热力学优化为例,阐述Cr-Ni-Ru三元体系热力学数据库建立的具体流程,分析当前镍基高温合金研究效率低下的原因。结果表明:快速建立与定量预测材料成分、相、组织、性能关系的高通量实验和计算方法是促进未来镍基高温合金研究发展的重点。     

Mo-Re和W-Re二元体系的热力学和相图优化

应用CALPHAD方法和Thermo-Calc软件，对Mo-Re和W-Re二元系进行了热力学优化，得到了与试验数据及第一性原理计算结果吻合较好的结果。由于Mo-Re和W-Re体系较为相似，同时进行优化，尤其是对Re端际的补充熵进行了统一，建立了更为合理的Mo-Re和W-Re相图。     

Nd-Fe-B-Dy四元系热力学数据库的建立及其合金设计

本研究利用CALPHAD方法,采用合理的热力学模型,热力学优化和计算了Nd-Dy、Dy-B二元系和Fe-B-Dy、Dy-Fe-Nd、B-Dy-Nd三元系的相图,并利用文献报道的其他子二元系和三元系的热力学参数,充分考虑了热力学模型的统一性和参数的兼容性,建立了Nd-Fe-B-Dy四元系合金的热力学数据库,并应用该数据库,预测了Nd-Fe-B-Dy四元合金Nd16-xDyxFe77B7 (x≤5 at.%)的纵截面相图;同时还分析了一系列不同Dy含量的永磁合金在平衡凝固下各相相分数随温度的变化情况。这些计算信息对掺镝NdFeB永磁合金的组织设计以及制备工艺参数的选择具有重要的指导意义。     

Fe-Ti二元体系的热力学重新优化(英文)

为提高Fe-Ti二元系外推到三元或多元体系的能力,应用CALPHAD方法重新优化了该二元系。与前人的优化工作相比,重点放在对两个二元金属间化合物Fe2Ti和FeTi的热力学描述上。因目前普遍采用双亚点阵模型来描述C14_Laves相,所以采用双亚点阵模型来描述Fe2Ti相。通过检验包含Fe-Ti二元系的三元体系Fe-Ti边界上Fe2Ti相的均匀化范围进一步证实了Fe2Ti相的相边界。FeTi相具有BCC_B2晶体结构,因而将其处理成为BCC_A2相的有序相,并且用统一的Gibbs 能函数来描述有序和无序相。另外一个特别关注的方面就是重现这两个化合物的实测热容。计算结果与有关相图和热力学性质实验结果的广泛对比显示两者符合得很好,从而证明了所得热力学描述的有效性。     

Au-Pt二元合金的热力学评估(英文)

基于最近实验测得的Au-Pt二元体系相平衡数据,利用Calphad方法重新评估Au-Pt二元体系的热力学参数。采用亚正规溶体模型Redlich-Kister等式描述液相和面心立方相的Gibbs自由能。考虑热力学第三定律的限定,以再现相平衡数据和固相热力学性质,包括活度和混合焓,优化Au-Pt二元系统热力学参数。优化结果表明:Au-Pt合金系统的溶解度间隙边界向富Au侧偏移,其顶点位置在1200°C,Au-56%Pt。     

Cu-Nb-Si体系相平衡的实验研究和热力学模拟（英文）

通过关键实验、热力学建模和第一性原理计算相结合的方法研究Cu-Nb-Si体系的相平衡关系。制备16种三元合金，采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜结合X射线能谱仪(SEM-EDS)，测定三相和两相区范围，证实三元化合物τ₁(Cu₄Nb₅Si₄)的存在，同时测定Cu在NbSi₂和Nb₅Si₃相中的溶解度，最终确定Cu-Nb-Si体系在600和700℃的等温截面。基于文献和本工作的实验数据，结合第一性原理计算和CALPHAD方法，利用替代模型和亚点阵模型分别描述溶体相和中间化合物，对Cu-Nb-Si体系进行热力学计算，最终得到一套自洽的热力学参数。通过计算与实验结果相比较，所获得的热力学参数能再现可靠的实验数据。     

BaO-CaO-ZrO_2三元系的评估及其在新耐火材料设计中的应用

BaO-CaO-ZrO2是一个重要的锆酸盐陶瓷材料三元体系,但该体系的相图和热力学资料却很少。在评估BaO-CaO,BaZrO3-CaZrO3二元体系现有相图和热力学数据的基础上,采用CALPHAD(calculation of phase diagram)技术进行了相图优化计算,并对一些存在分歧的相进行了分析。利用子二元体系CaO-ZrO2,BaO-ZrO2相图预测了BaO-CaO-ZrO2体系在1941K和2041K时的等温截面。最后,以BaZrO3和CaZrO3为基元材料设计出新型复合耐火材料Ba0.96Ca0.04ZrO3。它能为开发用于钛合金熔炼和铸造用的耐火材料提供参考。     

Cu-Ni-Sn三元系相平衡的热力学计算

基于Cu-Ni-Sn三元系的相平衡和热力学的实验信息,采用亚正规溶体模型描述液相和fcc相的Gibbs自由能,为了预测该体系中bcc相的A2-B2有序-无序转变,bcc相的Gibbs自由能采用双亚点阵模型进行描述.利用CALPHAD(相图计算)方法评估了Cu-Ni-Sn三元系各相的热力学参数,计算的富Cu侧相图和热力学性质与实验数据比较一致.并对该三元系中bcc相的A2-B2有序-无序转变及fcc相的溶解度间隙进行了计算.这些计算结果对利用析出强化以及Spinodal分解开发高强度和高导电性的新型Cu基合金的组织设计具有一定的指导意义.     

Ag-Sn-Zr三元系的热力学模拟和凝固显微组织（英文）

采用关键实验和热力学模拟研究Ag–Sn–Zr三元系的相平衡。通过制备22个平衡合金，采用X射线衍射、扫描电子显微镜和能量色散X射线能谱测定Ag–Sn–Zr体系500、700和900℃的等温截面。通过制备8个铸态合金，研究合金的凝固行为。测定Zr、Sn和Ag在Ag–Sn、Ag–Zr和Sn–Zr体系中二元化合物的溶解度，未发现三元化合物存在。基于3个边际二元系的热力学描述及获得的相平衡数据，采用CALPHAD方法对Ag–Sn–Zr体系进行热力学优化，得到一套自洽的热力学参数。计算的等温截面与实验数据吻合较好。计算和构筑Ag–Sn–Zr体系在整个成分范围内的液相面投影图和希尔反应图，模拟Gulliver-Scheil非平衡条件下铸态合金的凝固行为。模拟结果与实验数据相一致。     

Mg-Zn-Si体系的相平衡计算及应用

利用Calphad方法重新评估了Mg-Si二元系的液相,并结合Mg-Zn和Zn-Si二元系热力学数据,外推得到Mg-Zn-Si三元系热力学参数;同时根据Mg2Si-MgZn2伪二元相图实验数据评估了Mg-Zn-Si系的液相三元相交互作用参数,计算相图与实验数据较一致。利用Scheil凝固模型模拟了Mg-2.33Zn-0.9Si(at%)合金的凝固过程,预测了镁合金在铸造冷却过程中的相演变信息,模拟计算结果与实验结果吻合较好