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。     

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.     

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.     

计算热力学及其在材料科学中的应用(英文)

简要综述了材料科学领域中计算热力学与动力学的模型、数据库、软件及应用。介绍了当前最常用的软件。详细解释了用于描述不同相热力学性质的重要模型,以及获取热力学数据库中模型参数的优化过程。此外,还阐述了平衡计算中最常用的一种算法。最后本文给出了一些使用软件和数据库计算相平衡和相图,以及结合动力学数据用于相变及其过程模拟的示例。     

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     

超细、纳米晶WC-Co硬质合金烧结技术的研究现状

WC-Co硬质合金因高硬、耐磨而在切削、釆矿和耐磨零件等领域广泛应用。研究发现,当WC晶粒尺寸小于0.5μm时(即超细、纳米晶WC-Co硬质合金),与普通硬质合金相比,材料的硬度和强度显著提高,其韧性也同样会有所提升。因此,晶粒细化有助于改善硬质合金的力学性能,从而延长其使用寿命。长期以来,有关硬质合金性能改善方面的研究多关注于从粉体出发,即通过采用超细纳米粉体和合理烧结工艺来实现超细晶和纳米结构硬质合金的制备。然而,在合金制备过程中其致密性与晶粒长大之间往往存在较为复杂的交互作用,如何保证在烧结过程中致密化的同时抑制WC晶粒长大是提高合金性能以及保证合金质量稳定性的关键技术问题之一。本文主要阐述了高温液相烧结制备超细、纳米晶WC-Co硬质合金过程中有关致密化和晶粒长大机制之间的关联性,从烧结工艺与添加剂两方面介绍了近年来国内外的研究现状。烧结工艺具体分为常规烧结工艺(主要包括氢气烧结、真空烧结和热等静压烧结等)和快速烧结工艺(主要包括微波烧结、放电等离子烧结、高频感应热烧结等),对比了上述烧结工艺之间的不同以及总结了不同烧结工艺的优缺点。在添加剂方面,重点介绍了过渡族碳化物和稀土元素对硬质合金烧结过程中晶粒生长的抑制作用,并在此基础上阐述了超细、纳米晶WC-Co硬质合金烧结技术的未来发展趋势。     

Fe-Ni基合金设计中前过渡族元素对结构与性能的影响EI北大核心CSCD

铁镍(Fe-Ni)基合金具有优异的高温强度、良好的强韧匹配以及耐腐蚀、抗氧化等特性,在核能、航空、航天领域应用广泛。然而,随着现代工业的飞速发展,材料的服役环境愈发苛刻,传统Fe-Ni基合金无法满足未来重大工程的应用需求。添加合金化元素是优化Fe-Ni基合金使役性能的重要手段,已成为当下的研究热点之一。本文综述了前过渡族元素添加对Fe-Ni合金相结构及性能的影响。基于相图、相变的热力学基础理论,重点讨论前过渡族元素(RE,Ti,V,Cr,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,W等)添加对合金物相结构的影响,论述Fe-Ni基合金成分-结构-服役性能的关系,指出当前元素改性Fe-Ni基合金的研究工作偏向于多元合金协同作用于Fe-Ni基合金,缺乏添加单一元素的研究与相应的热、动力学的数据支撑。提出在明确单一元素添加对Fe-Ni基合金结构及性能作用规律的基础上,探索不同元素的作用机理,建立相应的热、动力学数据库,优化合金在氧化过程中的模拟与计算的解决方法。     

钢结硬质合金粉末/碳钢液相烧结复合过程研究

利用爆炸压制法压实钢结硬质合金粉末,采用真空液相烧结扩散复合法将压实后的钢结硬质合金粉末与碳钢结合,对复合界面结合强度进行抗拉强度测试.复合界面的SEM和EDS分析表明:在1350℃真空液相烧结过程中,金属粉末中各元素及硬质相分解出的C和W元素相互扩散,界面处及钢结硬质合金中出现复式碳化物,粉末自身形成致密合金的同时与碳钢基体达到良好冶金结合.     

微量Mg元素添加对Cu-Cr合金析出行为及性能的影响

通过熔炼铸造工艺制备了Cu-Cr和Cu-Cr-Mg合金,评价了Mg元素对Cu-Cr合金硬度、导电和抗软化性能的影响,研究了Mg元素对Cu-Cr合金析出相的细化作用,探讨了Mg元素的迁移行为。结果表明,相比于Cu-Cr二元合金,时效态Cu-Cr-Mg合金具有更高的硬度和软化温度,且保持较高的导电性能。两种合金的主要时效强化相均为纳米Cr析出相,Mg元素的加入抑制了纳米沉淀相的长大和结构转变,峰时效态Cu-Cr-Mg合金的析出相与基体可能仍保持共格界面关系,过时效态合金中出现与Heulser相结构相同的析出相,且峰时效态Cu-Cr-Mg合金经过高温保温处理后,其强化相的尺寸明显小于Cu-Cr合金析出相。EDS的结果表明,在时效初期Mg和Cr共存于析出相内部,而在时效后期析出相内部只有Cr元素存在,Mg元素发生迁移,同时理论估算结果显示,Mg元素可明显降低Cu(fcc)/Cr(bcc)之间的界面能,导致其偏聚于基体/析出相界面处,这可能是Mg元素能够细化析出相和提高合金性能的主要原因。     

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。     

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.     

高通量计算与机器学习驱动高熵合金的研究进展EI北大核心

高熵合金因其多种合金元素以等原子比或近等原子比的组合而具有高熵效应、严重的晶格畸变、缓慢扩散以及特殊而优异的材料性质等特点,在各个领域引起极大的关注。其高强度和硬度、抗疲劳性、优异的耐腐蚀性、耐辐照性以及接近零的热膨胀系数、催化响应、热电响应及光电转换等特性,使高熵合金在许多方面有潜在的应用。高通量计算及机器学习技术迅速成为探索高熵合金巨大成分空间和综合预测材料性能的有力手段。本文介绍高通量计算与机器学习的基本概念,论述第一性原理计算、热动力学计算与机器学习在高熵合金研究中的优势,并总结它们在高熵合金成分筛选、相与组织计算以及性能预测等方面的应用研究现状。最后提出该领域目前存在的问题,并提供解决思路与未来展望,包括开发适用于高熵合金的第一性原理计算与机器学习工具、构建高质量高熵合金数据库、将高通量计算与机器学习相融合对高熵合金的力学及服役性能进行全局优化等。     

超细及纳米硬质合金中碳含量的变化及对组织性能的影响

对于硬质合金而言,碳含量对合金的组织性能有重要影响.介绍了制备超细及纳米硬质合金时影响碳含量变化的因素,包括粉末的制备工艺、烧结工艺、钴含量以及抑制剂和成形剂等.综述了碳含量变化对组织性能的影响,其中碳含量过高会出现石墨相,过低会出现脱碳相,碳含量过高或过低都会降低合金的力学性能.     

烧结工艺对贮氢合金La0.67Mg0.33Ni2.5Co0.5的微观组织结构及电化学性能影响的研究

系统研究了固相反应烧结方法制备La0.67Mg0.33Ni2.5Co0.5贮氢合金的烧结工艺对该合金的微观组织结构及电化学性能的影响规律.分析和研究了合金的微观组织结构、电化学放电性能及Mg含量的挥发损失问题.XRD和SEM及EPMA分析结果表明,在不同烧结条件下合金均由不合Mg的LaNi5相、富Mg的LaNi3相及一个贫Mg的LaNix(x=3.0～3.8)相三相组成.当烧结温度不超过1203k时合金主相为LaNi3相,当烧结温度超过1203K,LaNi5相逐步成为主相.原子吸收光谱分析结果表明,烧结温度不超过1203K,Mg元素没有明显损失;当烧结温度超过1203K,会引起Mg的大量挥发损失.电化学性能分析结果表明,烧结温度不超过1203K,合金放电能力主要受合金组织形成与均匀性影响;而烧结温度超过1203K,Mg元素挥发损失成为影响合金放电能力的决定因素.烧结条件为873～1123k保持24h、1203k保持2h,是制备La0.67Mg0.33Ni2 5Co0.5贮氢合金的适宜工艺.用该工艺制备的La0 67Mg0.33Ni2.5Co0.5贮氢合金Mg含量稳定(2.92%质量分数)、微观组织均匀、放电容量高(395mAh/g)、活化性能好(2个循环).     

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。     

涂层梯度液相烧结的扩散与输运动力学分析

本文分析了热喷涂梯度液相烧结时液相迁移和元素扩散的动力学过程 ,建立了相应的数学模型 ,并给出了实测数据 ,最后 ,讨论了界面扩散对基材的影响。     

基于A位元素置换策略合成新型MAX相材料Ti3ZnC2

MAX相材料是一类兼具金属和陶瓷特性的三元层状材料, 在高温导电、耐磨、耐腐蚀和耐辐照损伤等方面性能优异。目前已经合成出的MAX相材料已有70余种, 但A位元素一直局限在ⅢA和ⅣA主族元素, 如Al、Si、Ga等, 而以副族元素占据A位的MAX相鲜有报道。本研究以Ti₃AlC₂为前驱体, 利用熔盐中的A位置换反应, 制备出了A位为Zn元素的全新MAX相材料Ti₃ZnC₂。结合X射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等分析手段对Ti₃ZnC₂的成分和结构进行了确认, 并通过密度泛函理论对Ti₃ZnC₂的结构稳定性和晶格参数进行了确定。进一步通过热力学计算对Fe、Co、Ni、Cu等几种元素的A位置换反应进行了预测, 发现采用这几种元素的氧化物进行置换反应在热力学上也都具有可行性。本研究所提出的元素置换策略是在保持MAX相六方层状晶体结构的基础上, 利用Al、Zn在高温下形成共晶产物实现Zn原子向A层内的迁移, 而熔盐介质的存在促进了反应动力学。本方法巧妙地避免了MAX相传统合成过程中竞争相的形成, 如M-A合金相, 因此可以用于探索更多未知的MAX相材料。     

涂层梯度液相烧结的扩散与输运动力学分析

本文分析了热喷涂梯度液相烧结时液相迁移和元素扩散的动力学过程,建立了相应的数学模型,并给出了实测数据,最后,讨论了界面扩散对基材的影响。     

Fe52T2(T=Cr,Mn,Co,Ni)合金bcc与fcc相结构的第一性原理研究

运用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究稀释掺杂的Fe_(52)T_2(T=Cr, Mn, Co, Ni)合金铁磁bcc相和反铁磁fcc相结构的晶格参数、磁性和两相的相对稳定性。结果表明:晶格参数和体模量随掺杂元素d壳层电子个数的变化关系不能用简单的d能带填充图像解释,说明FeT合金中存在较强的磁-结构耦合效应。FeT合金的铁磁bcc相比反铁磁fcc相稳定。反铁磁相呈四方结构,晶格常数c/a比值约为1.07,此相结构可能是一个亚稳态。晶格结构的变化引起电子的重新分布,导致不同磁结构和局域原子磁矩。     

Ti(C,N)/AlCoCrFeNi金属陶瓷烧结过程中的粘结相表面富集行为研究

通过分析合金表面形貌以及表面物相,研究了新型Ti(C,N)/AlCoCrFeNi金属陶瓷烧结过程中粘结相的表面富集行为。结果表明,在1 300℃下烧结60min后,合金烧结体表面发生了明显的富集,并形成了第三相,即类似M_6C结构的缺碳相(η)。该现象的产生主要归因于烧结过程中,表面脱碳形成了表面和内部的碳浓度差、固溶体浓度差以及温度差,促使金属元素钨、钽、钛、钼以扩散的方式向内迁移,表面的低碳造成合金的共晶温度提高,表面的液相量减少从而产生负压张力,导致内部的液相向表面迁移。另外,由于合金微观组织中体积含量不同的粘结相区域产生压力差,导致在烧结过程中富钨区的粘结相倾向于向液相量低的贫钨区迁移,使得金属粘结相逐渐向表面迁移、渗透,富集于表面。