材料成型及控制工程毕业论文-AlCrCoFeNiV高熵合金相图分析.doc

1、本科毕业论文（20 届）AlCrCoFeNiV 高熵合金相图分析所在学院专业班级 材料成型及控制工程学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日IAlCrCoFeNiV 高熵合金相图分析摘 要：铝是一种广泛使用的轻金属，它的含量居全球第三，仅次于氧和硅，是含量最丰富的金属元素。同时，因为铝合金具有更加优良的综合性能，被广泛应用在航空航天，汽车，动车等领域。Fe、Cu、Ni、Mn 等元素是铝合金中主要合金元素。为了提高合金性能，改善生产工艺，研究铝合金是很重要的。本文以

2、多元高熵合金 AlCrCoFeNiV 为研究课题。首先，通过相图热力学、CALPHAD(CALculation of PHASE Diagram )技术以及实验验证分析来获得相应的相图。然后，采用 XRD 等实验手段，测定 AlCrCoFeNi 高熵合金的组织结构图，进行多次实验，不断优化。采用 CALPHAD 手段，对相图进行不断修订，优化等。通过实验结果和计算结果相比，本工作使得结果能更加准确，获得的实验数据更加可靠。关键词：铝合金，热力学An analysis of AlCrCoFeNiV high entropy alloy phase diagramAbstract:Aluminum

3、 is a widely used light metals. Al content in the earths crust is ithird， only to O and Si , is the most abundant metal elements content . At the same time, the Al alloy because of excellent comprehensive performance, is widely used in aerospace, automobile, train, etc. Fe, Cu, Ni, Mn and other elem

4、ents is the main alloying element in Al alloy. In order to improve the performance of alloy, improve the production process, it is important to study related Al alloy .Based on AlCrCoFeNiV high entropy alloys as the study subject, through the PHASE Diagram of thermodynamics, CALPHAD (CALculation of

5、PHASE Diagram) technology and the analysis of the experiment to obtain the corresponding PHASE Diagram. Using the experimental means such as XRD, determination of AlCrCoFeNi high entropy alloy phase diagram, and experimental verification, optimized unceasingly. A constant revision and optimization t

6、o the phase diagram by the method of CALPHAD . Through compared the numerical results and experimental results, this job can makes the result more accurate, more reliable obtained by experimental data. Keywords:Aluminum,thermodynamics II目 录1 绪 论 .11.1 高熵合金 .11.1.1 研究意义 .11.1.2 当今进展 .31.2 本课题研究的目标及研究

7、内容 .41.2.1 课题研究目的 .41.2.2 课题研究的内容 .41.2.3 课题进度安排 .52 理论研究 .62.1 相图的概念 .62.1.1 计算机相图的作用 .62.2 计算相图 .72.2.1 计算相图 .72.2.2 相律 .82.2.3 相图热力学计算的一般原理 .92.3 相图热力学计算常用的软件 .112.3.1 Thermo-Calc 软件 .112.3.2 Factsage.112.3.3 Pandat 软件 .122.4 相图计算常用的热力学模型 .132.4.1 纯组元的热力学模型 .132.4.2 理想溶液相的热力学模型 .142.4.3 亚点阵模型 .15

8、2.4.4 有序无序相变模型 .172.4.5 正规溶体模型 .182.4.6 亚正规溶液模型及似亚正规模型 .192.4.7 磁性有序对吉布斯自由能的贡献 .193 软件应用 .203.1 Pandat 基本知识 .203.2 数据库命令 .213.2.1 编辑数据库 .223.2.2 计算 .233.2.3 选项 .254 实验验证 .274.1 设计实验 .274.2 实验过程 .274.3 对比验证 .315 总结 .32参考文献 .33致谢 .3411 绪 论1.1 高熵合金高熵合金是由于 90 年代大块非晶合金的出现，人们都在努力找寻有超高玻璃化形成性能的合金。随后有研究者发现高熵

9、和玻璃化形成能力高并不一致，反而是一些高混合熵合金可以形成单相固溶体。因此，叶均蔚等认为此种单相固溶体是高混合熵的稳定的固溶体，而命名为高熵合金。到底是什么原因使高混合熵合金的玻璃化形成能力并不高，张勇等研究人员进行统计了大量的高混合熵合金，从尺寸差、焓和熵角度作出了系统分析，并利用 Adam-Gibbs 方程作出了详细的解释。从目前的研究进展和发现来看，高熵合金拥有一些传统的合金所没有的优良的性能，如较高强度、高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性、高热阻性等，因而在材料科学和凝聚态物理领域中成为继大块非晶之后一个全新的研究课题。现今，高熵合金的研究一般是主要集中在铸造状态下的进行的性能测试，大家知道

10、铸造状态下的产品必然存在着天然行的性能的缺陷(例如空洞、疏松等)，但是对于在热处理、热加工后性能的研究很少有报道。在我们科学家们看来在未来空间中，高熵合金无疑是最重要的，也是最有必要去探讨的领域，有可能成为未来产业的支柱，同时也是现在金属研究方向发展的重中之重，是我们必须要引起注意的领域，也是我们专业现在大学生需要了解的。现在，高熵合金通常情况可以被定义为由五个或五个以上的元素组元按照等原子比或接近于等原子比来进行合金化，它的混合熵是高于合金的熔化熵的，一般是会形成高熵固溶体相等合金。 1 总而言之，在高熵合金相图中，总会有熵值低于其它种类相图的固溶体想去，它是至今为止发现的熵值最的固溶体，是

11、最稳定的。在当今社会高新技术飞速的现在，产品技术更新越来越快，可是在高熵合金方面发展还是不是那么快的，始终以 CoCrCuFeNi 为代表的面心立方固溶体结构合金和 A1CoCrFeNi 为代表的体心立方固溶体结构合金为发展最快的方向，是现在国内高熵合金领域的主要方向。1.1.1 研究意义传统的合金通过来添加各种微量元素导致了固溶强化等作用，从而改善合太原工业学院毕业设计2金的组织与性能。在传统工艺制备过程中加入元素在数量和种类上是有很大限制的，在传统合金中通常是在铁中添加相应的元素，从而产生相应的性质，如果加入的元素量太多就会导致不能产生相应的性能，而会导致合金的开裂、缩孔、裂纹等不良症状，

12、不能被人们所使用，产生废品，降低了产量，不利于生产和生活，造成极大的浪费。为了提高生产率，降低废品，经过研究人员的不懈努力终于开创一种新的合金形式，除去传统合金单一主元的模式外，创造性的提出多主元合金的全新的理念，即不局限于唯一元素作主元素，而是把许多含量为 535的元素都作为主要元素（n5），这样的话就可以有更多的探索空间，不会局限于唯一的元素。所以在定义的多主元元素合金中没有唯一元素，不会有哪一种元素的含量会超过 50以上，变成传统定义的合金。 2 不论是传统定义的合金还是现今定义的多主元合金，它们的性质是许多种元素一起相互作用产生的特性的表现，不一样的元素作用会有不一样的性质，从而能满足

13、人们日益增长的物质生活需求。经过人们不懈的努力和研究者的整理发现：定义的多主元合金在凝固的晶体相是简单的体心立方或面心立方相，而不是人们所想像的复杂的金属间化合物，至于为什么是这样的结果，还没有定论，研究者们在进行不懈的探索，希望能早日有定论，不过，有人提出这样的结果的原因可能是因为多主元合金高的混合熵值，从而导致金属间化合物的形成被压制，没有能形成。因此，人们也将多主元合金命名为多主元高熵合金，简称高熵合金。高熵合金这一创造性理念一经提出就引起了各个领域的工作者的广泛关注。因为它的提出，打破了传统的合金理念，开辟了全新合金体系，为人们在金属合金方面发展有指明一条道路，使人们看到新的希望。高熵

14、合金的提出，同时，它优异的性能，也是很多人们关注的重点，现在技术水平下用不同的合金成分可以获得不一样的特性如高耐腐蚀，高抗氧化性等等。现在，高熵合金在某些方面已经取得令人瞩目的成绩，如高熵合金火炮管，高熵合金涂层的太阳能等。由于高熵合金较高的学术与经济价值，多主元高熵合金成为金属合金发展的重点。目前，所有人对高熵合金的研究，都从未跳出叶均蔚等人第一次发表关于高熵合金定义的框架，至今局限于组织测定和性能的测试、添加新元素、开发合金种类等，未对合金相组成规律以及相鉴定方法进行分析。本毕业设计选定六元 AlCrCoFeNiV 多主元高熵合金作为研究体系，通过本次毕业计，了解相图太原工业学院毕业设计3

15、计算的方法；学习相图计算 Pandat 软件；分析 AlCrCoFeNiV 高熵合金相结构，并实验验证；分析组元掺杂及置换对高熵合金相结构的影响规律，为合金成分进行理论指导。1.1.2 当今进展伴随着现代工艺的发展，人们从 80 个金属元素中取出 13 种常用的金属元素，按照不同的比例和不同的配置方法，每种方法中各元素的比例可以改变，还可以添加相应的少量元素来改变性质达到人们的要求需要，这样就可以获得7099 多中合金，远远多于传统方法制造的合金。真空电弧炉熔铸法是制备多主元高熵合金迄今为止应用最多、最传统的方法；但最近印度有人制作的AlFeTiCrZnCu 高熵合金利用的机械法；随后多主元高

16、功能合金镀膜是应用磁控溅射方法制备的。 3 这些方法极大的促进了制备方法的进步和高熵合金的进一步发展。现在高熵合金的主要组成元素的最大原子半径差大是为了最大限度的形成固溶体，它们一般情况下是面心或体心立方体或者密排六方结构，并且有相近的点阵常数。多主元高熵合金可以利用许多方法例如：喷粉法等来制作涂层等。高熵合金的应用前景会越来越大，发展越来越好。多主元高熵合金自上世纪 90 年代提出以来，已在金属领域中引起一场又一场的金属风暴，已然成为当今金属领域发展的核心，随着概念的提出，新型金属不断产生，在高熵合金领域科学家们已经取得了许多让人瞩目的成果。来自台湾的多所高校和科研单位的工作者们开始对高熵合

17、金产生了浓厚的兴趣并陆续对其进行了研究开发工作，在几年内取得了一定的成果包括：Fe-Co-Ni-Cr-Al-Cu 多主元高熵合金的高温氧化与高温渐变研究；多元高性能合金清净化研究；多主元高熵合金相图模拟研究等。 4 大量材料学者展开对多组元高熵合金旳结构、组织形貌及各种性能的研究是直到 21 世纪初高熵合金的研究成果公开发表后，引起世界的轰动才发生的。直到现在，国外的许多研究机构，如伯明翰大学、牛津大学等，已经对高熵合金的研究开展了大量工作。国内像清华大学、北京科技大学、重庆大学、吉林大学、上海大学、太原理工大学以及山东科技大学等单位的科研工作者也相继对高熵合金这一新兴合金体系进行了不同程度的

18、研究并取得了一定的成绩。现在台湾学者希望价格低，性能好的高性价比的新型高熵氢化物二次电池，因此进一步对多主元高熵合金的放电性进行太原工业学院毕业设计4了研究；有人提出了等摩尔多主元合金，因此，剑桥大学的科学家也展开了相关的研究。但是，目前主要是对某些特定的多主元高熵合金结构、性能进行研究工作，如其微观结构、硬度和钒元素的关系等。 4 现在社会上没有合理的有关高熵合金的理论，对高熵合金的结构，性能也没有完整的认识，在相图分析及其物理化学等方面的性能没有清晰度认识，最主要的原因是在高熵合金方面进行研究的时间短，研究人员少，实验数据不在充分，实验方法缺乏，例如多主元高熵合金体系也只是用鸡尾酒式的方法

19、调配成的。因此高熵合金需要进一步的发展。高熵合金可用于电池，太阳能，轮船的叶片及高温材料等，正因为如此，高熵合金具有广泛的用途。同样由于高熵合金具有耐腐蚀、耐高温等性能可用作灵敏信息设备的耐蚀高强度材料、航空器械的耐火骨架等。多主元高熵合金被认为是这几十年来合金化理论的 3 大突破之一，由于高熵合金应用的多元化，面对的产业也会十分丰富的。这会对人们的生活造成不小的冲击，会让人们的生产也会有巨大变化，是对传统合金理念的挑战，也是提高人们高科技产业的无限机会，总而言之，这会对人们生活生产产生巨大影响，对我们既是挑战也是机遇。1.2 本课题研究的目标及研究内容1.2.1 课题研究目的高熵合金不管是从

20、理论还是从实际生活中来说都有十分重大的意义。可是，近些年来所有人对高熵合金的研究，都从未跳出叶均蔚等人第一次发表关于高熵合金定义的框架，至今局限于组织测定和性能的测试、添加新元素、开发合金种类等，未对合金相组成规律以及相鉴定方法进行分析。本课题也正是基于这一背景立题，研究的目的通过本次毕业设计，了解相图计算的方法；学习相图计算 Pandat 软件；分析 AlCrCoFeNiV 高熵合金相结构，并实验验证；分析组元掺杂及置换对高熵合金相结构的影响规律，为合金成分设计提供理论指导。太原工业学院毕业设计51.2.2 课题研究的内容1）学习相图计算软件 Pandat 的应用。2） 应用 Pandat

21、软件计算室温下 AlCrCoFeNiV 及 AlCrCoFeNiV0.5 高熵合金相结构。3）通过 XRD 分析实验验证钒含量对高熵合金相结构的影响规律。4）撰写毕业论文。结构完整，层次分明，语言顺畅；格式符合机械工程系学位论文格式的统一要求。1.2.3 课题进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 广泛阅读相关文献，制定研究方案 3 月 3 日3 月 23 日2 学习 Pandat 软件的应用 3 月 24 日4 月 13 日3 完成相图计算，中期检查 4 月 14 日5 月 4 日4 实验验证计算结果 5 月 5 日6 月 1 日5 完成毕业论文及答辩工作 6 月 2 日6 月 22 日太

22、原工业学院毕业设计62 理论研究2.1 相图的概念相图不仅表示在恒定温度，压力下，组成物质的相的变化情况还可以表示相转变趋势,也称为平衡相图或平衡状态图，它是体系中相平衡时的几何关系的表示图。除此外，还能表示出相的组织成分、含量、平衡相稳定存在的范围以及整个体系物理化学性质的变化过程,并且能明确的说明体系中相变发生时的条件(如温度、压力、浓度等)。计算相图的产生是 21 世纪的产物，它可以在根本上杜绝实验过程由于人为误差产生的影响。它是全新的一种学科，是计算机和热力学的结合产生的，成为一种计算相图的简便方法。 由于科学技术的持续发展， 现在材料科学的领域出现了许多常用的相图计算的软件，例如 M

23、TDATA、Pandat、Luka 等。其中的 Pandat 软件是其中一个可以无需设定初始值，自动搜索，允许用户自定义数据库，并具有十分强大的计算功能的一个多组元相图计算软件包。本文是基于Pandat 相图计算软件，对 AlCrCoFeNiV 高熵合金的相图进行模拟计算， 分析AlCrCoFeNiV 高熵合金相结构，并实验验证；分析组元掺杂及置换对高熵合金相结构的影响规律，为合金成分设计提供理论指导。2.1.1 计算机相图的作用计算机相图不仅节约了大量的人力、物力，还比实验测定的相图更加精确，可控。计算相图可以推出整个相图，优化吉布斯自由参数，仅仅需要对体系相图中关键区域和关键相点的热力学数据进行测量就可以。而实验测定相图不仅存在各种危险和不可控制因素，而且测得的数据是片面的，有限的，无法对整HGTSGTGTP()SP()