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《中南大学》 2008年
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Al-Cr-Si、Al-Cr-Ti、Al-Cu-Fe、Al-Cu-Ni和Nb-Ni体系的晶体结构与相图测定及热力学模拟

陈海林  
【摘要】: CALPHAD(CALculation of PHAse Diagram)技术是目前非常成熟且用途极为广泛的相图评估和计算方法,它不仅是材料动力学、显微组织演变计算模拟的热力学平台,而且能够广泛地应用于新材料的设计与研制。Cu、Fe、Nb、Ni、Si、Cr、Ti等是Al基合金中的主要合金元素或添加元素。为了设计铝基合金成分、优化制备工艺,并有效地提高合金性能,有必要获得准确的多组元铝合金相图与热力学信息。作为“多组元Al合金体系的相图测定、热力学计算及显微组织演变的模拟”研究项目的一部分,本文对Al-Cr-Ti、Al-Cr-Si、Al-Cu-Fe、Al-Cu-Ni、Nb-Ni合金体系的晶体结构、相变与相图进行了系统研究: (1)本工作测定了Al-Cr二元系“γ”区域的晶体结构、相关系与相变;测定了富Al端的相平衡与转变温度,并否定了该区域内存在新相“ν”的报道;测定了62~86 at.%Al范围内的液相线。综合上述实验结果,修订了Al-Cr二元相图。采用XRD、SEM/EDX等实验手段,测定了Al-Cr-Ti体系中固溶体相(Cr)和β(Ti),二元化合物β-TiCr_2,TiAl_3,和TiAl,以及三元相B2和τ的固溶度与相关系,从而构筑了该体系的900℃等温截面。利用平衡态合金的DTA分析,综合铸态合金的凝固组织分析,研究了合金的相变过程与凝固过程,确定了Al-Cr-Ti体系的三元零变量反应,并构筑了该体系的液相面投影图与希尔反应图。 (2)通过Cr-Si二元合金的凝固组织分析,发现了Cr_5Si_3是由Cr_3Si通过包晶反应生成的,在此基础上更新了Cr-Si二元相图及其热力学优化。实验测定了Al-Cr-Si三元体系平衡相的晶体学数据;新发现了τ_2、T_3与τ_4三个三元化合物,并初步确定了τ_2与τ_4的晶体结构;利用Rietveld全谱拟合,准确地精修了τ_3的晶体结构。研究了Al-Cr-Si合金在800℃下的相平衡关系,并构筑了完整的等温截面。利用DTA测定了三元合金的相变温度,结合合金的凝固组织分析,构筑了Al-Cr-Si体系的液相面投影图与希尔反应图。 (3)实验测定了Al-Cu-Fe三元体系的600℃等温截面与富Al角的相变温度。根据最新报道的相图数据,修订了Al-Fe二元体系的热力学描述。优化和计算了Al-Cu-Fe三元体系整个温度与成分范围内的相平衡,获得了一套描述各相自由能的热力学模型与参数,计算所得的等温截面与实验数据基本一致。利用同一个方程模拟了该体系中的Bcc_B2有序相与Bcc_A2(αFe,ε_1和Cu_3Al)无序相;准确地描述了A2与B2之间复杂的有序一无序转变与二级转变,以及Bcc的溶解度间隙。 (4)实验测定了Al-Cu-Ni三元体系富Al角的相平衡,在实验研究的基础上,重新评估了该体系的相图数据、晶体学数据与热力学数据。通过热力学优化,模拟了Al-Cu-Ni体系中的Fcc_Al-L1_2和Bcc_A2-B2两个三元有序无序转变,获得了一套描述各相自由能的热力学参数。获得了Al-Cu-Ni体系1300~500℃等温截面、零变量反应、以及液相混合焓性质图,并构筑了该体系完整的希尔反应图。 (5)对Nb-Ni二元体系进行了实验研究,证实了Ni_8Nb相的稳定存在并测定了其相转变温度。在本实验测定的基础上,重新评估了Nb-Ni体系的文献数据并进行了热力学优化。采用一种四步分步优化方法,获得了一套描述Nb-Ni二元系的自洽的热力学参数。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TG146.21

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