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        AlV系二元相圖的計(jì)算、評(píng)估及其活度

        2017-09-18 21:54:44史忠兵馬鳳倉王飛劉平劉新寬李偉
        有色金屬材料與工程 2017年4期
        關(guān)鍵詞:活度評(píng)估

        史忠兵+馬鳳倉+王飛+劉平+劉新寬+李偉

        摘要: 利用最新版本的Pandat熱力學(xué)計(jì)算軟件,采用最新的Ti合金數(shù)據(jù)庫和合理的熱力學(xué)模型,計(jì)算出了AlV系二元相圖.研究發(fā)現(xiàn):從相率和相圖的特殊點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的熱力學(xué)評(píng)估,最大誤差為1.14%,說明計(jì)算相圖與試驗(yàn)相圖吻合較好;在AlV二元相圖的基礎(chǔ)上,提取了Al和V在不同物質(zhì)的成分和溫度下的活度;擬合了恒溫下其活度的計(jì)算公式,其線性相關(guān)度R趨近于1;作出了V的活度成分溫度關(guān)系曲線,有效地解決了“試驗(yàn)測活度難”的問題.

        關(guān)鍵詞: AlV系; 熱力學(xué)模型; 相圖; 評(píng)估; 活度

        中圖分類號(hào): TG 111.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

        Al和V是鈦合金中常常添加的合金元素[1],尤其是Al元素,據(jù)統(tǒng)計(jì)80%以上的鈦合金中都含有Al.Al元素可以擴(kuò)大α相區(qū),是α相穩(wěn)定元素.α相中Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%~7%.當(dāng)Al當(dāng)量含量較低時(shí),主要沉淀出α2Ti3Al有序相;當(dāng)Al當(dāng)量含量較高時(shí),有γTiAl及其他TiAl化合物形成.在正常使用的含Al鈦合金中以Ti3Al沉淀強(qiáng)化為主.而V元素可以擴(kuò)大β相區(qū),是β相穩(wěn)定元素.然而吳歡等[2]研究表明Al對(duì)α相的強(qiáng)化作用卻比V低得多.磁性和有色合金中除了鋼鐵合金外,90%以上都含有V元素.當(dāng)V在鈦合金中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4%左右時(shí),其合金易于成形,并且延展性也很好;當(dāng)V在鈦合金中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%左右時(shí),其合金可以得到強(qiáng)化[2-3].因此,根據(jù)對(duì)材料性能的需求,我們可以通過控制Al和V元素在鈦合金中的質(zhì)量分?jǐn)?shù),獲得所需的α鈦合金、β鈦合金或(α+β)鈦合金等.

        把中間合金[4-6]添加到鈦合金中,不僅可以有效地控制所需元素在鈦合金中的最終比例,還可以提高合金成分的均勻性.因此在實(shí)際的鈦合金生產(chǎn)中,主要合金成分都是以中間合金的形式添加的.國內(nèi)的AlV中間合金有AlV50,AlV70和AlV80三種牌號(hào)[1],顏色均為銀灰色.塊狀A(yù)lV50的粒度范圍是1~50 mm,AlV70和AlV80的粒度不大于100 mm.由于中間合金的質(zhì)量會(huì)對(duì)鈦合金的性能產(chǎn)生直接的影響[7-11],為了生產(chǎn)出滿足航空領(lǐng)域等所需的最佳性能的鈦合金,首先必須制備純度高和成分均勻的AlV中間合金.

        隨著科技的發(fā)展,單純依靠試驗(yàn)的方法研究AlV系合金,已經(jīng)不能滿足高效、快節(jié)奏的人們對(duì)其的迫切需求.而現(xiàn)在發(fā)展比較成熟的熱力學(xué)計(jì)算不僅可以加速AlV系合金的研究,還可以省去大量的人力、物力和財(cái)力.

        本文用熱力學(xué)計(jì)算軟件Pandat重新計(jì)算了AlV二元系相圖,并對(duì)其進(jìn)行了評(píng)估.最后在AlV二元相圖的基礎(chǔ)上,提取了Al和V在不同組元的摩爾分?jǐn)?shù)和溫度下的活度.

        1 AlV系二元平衡相圖的熱力學(xué)計(jì)算

        完整的AlV系二元平衡相圖實(shí)際上是一個(gè)由壓力、溫度和成分組成的三維圖形.然而,通常情況下壓力基本是不變的,因此它可以用溫度和成分兩個(gè)獨(dú)立變量來簡要描述.Murray第一次評(píng)估了AlV二元系相圖,但其還有許多地方不能夠確定[12].例如在富V區(qū),受高溫熔化的影響,一方面很難獲得固相平衡,另一方面很難準(zhǔn)確地測量出固相線和液相線溫度.利用pandat2016提供的最新鈦合金數(shù)據(jù)庫和二元相圖計(jì)算模塊,重新計(jì)算了AlV二元合金體系下的合金成分分布及相組成等.

        1.1 AlV系的熱力學(xué)模型

        不同的相會(huì)有不同的結(jié)構(gòu),且是相互獨(dú)立的.為了計(jì)算出準(zhǔn)確的平衡相圖,不同類型的相需要采用不同的熱力學(xué)模型.

        1.2 AlV系平衡相圖的熱力學(xué)計(jì)算

        利用Pandat軟件計(jì)算了如圖1所示的的AlV二元平衡相圖.從圖1中可以看出,AlV系合金二元平衡相圖中存在Liquid(L),F(xiàn)cc(Al),Bcc(V)和五種金屬間化合物Al21V2,Al45V7,Al23V4,Al3V和Al8V5.單晶一方面對(duì)原子在相中的排列順序起了決定性作用,另一方面可以在一定程度上指導(dǎo)復(fù)雜相的形成,因此對(duì)單晶進(jìn)行分類具有重要的意義.Al21V2、Al3V和Al8V5晶格圖片如圖2所示.

        AlV二元合金體系中的相平衡線把相圖劃分為14個(gè)相區(qū).相圖上所標(biāo)出的相區(qū)標(biāo)號(hào)所對(duì)應(yīng)的相區(qū)成分如表1所示.

        2 AlV系二元平衡相圖的評(píng)估

        2.1 相律的評(píng)估

        相律描述了平衡物系中的自由度數(shù)、相數(shù)和獨(dú)立組分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系,是研究相平衡的基本規(guī)律,其計(jì)算公式為:

        對(duì)AlV二元系,C=2,F(xiàn)=3-P,最多平衡共存相數(shù)為3.從圖1可以看出,AlV二元系最多有3個(gè)平衡共存相,符合相律.

        2.2 特殊點(diǎn)的評(píng)估

        通過查閱了大量文獻(xiàn),并結(jié)合自身的工作,找到了AlV二元相圖特殊點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù).利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)做成了表2和圖3.

        從表2和圖3中可看出,計(jì)算值與試驗(yàn)值的最大偏差絕對(duì)值為7.825 ℃,最小偏差絕對(duì)值為0.003 ℃;相對(duì)誤差最大值為1.137 435%,相對(duì)誤差最小值為0.000 45%.相對(duì)誤差均小于允許誤差5%,可見通過Pandat計(jì)算出的AlV二元相圖和試驗(yàn)相圖吻合得較好.

        3 Al和V活度的提取

        從20世紀(jì)40年代開始,就有很多科學(xué)家采用多種試驗(yàn)技術(shù)測定了一些基本渣系的活度,但并沒達(dá)到預(yù)期效果.三元系爐渣活度的測定更為困難[17],甚至連對(duì)一些常用渣系的活度圖都存在一定的爭議.因此熔渣體系活度用試驗(yàn)的方法測定特別困難,更別說所有體系的活度了,而試驗(yàn)相圖的測定比活度測定容易且目前相圖試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為完善.此外,與通過模型來計(jì)算熱力學(xué)量相比,其無需擬合參數(shù).所以從相圖中提取活度具有一定的意義和價(jià)值[18].

        在不引入任何參數(shù)的情況下,從AlV二元相圖能夠方便地提取液相線溫度對(duì)應(yīng)Al和V組元的活度.如表3所示,當(dāng)溫度為1 873,1 973,2 000,2 073,2 100,2 173,2 200和2 273 ℃時(shí),從AlV二元相圖中提取了Al和V組元在0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9和1.0成分下的活度.在成分一定的情況下,Al或V組元的活度隨著對(duì)應(yīng)的溫度增大而增大;在溫度一定的情況下,Al或V組元的活度隨著對(duì)應(yīng)組元的摩爾百分比增大而增大.當(dāng)Al和V組元的摩爾百分比接近1∶1時(shí),其對(duì)應(yīng)的活度相等.endprint

        分別對(duì)Al和V組元的摩爾成分和活度的擬合,得出如圖4和圖5所示的曲線.其擬合的線性相關(guān)度R接近于1.R2可以反映擬合結(jié)果的好壞,越接近1,說明擬合結(jié)果越好.從圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn),Al和V組元的摩爾成分和活度曲線滿足式(5).對(duì)應(yīng)的系數(shù)A,B和C的值見表4和表5.

        從表3可以看出,活度實(shí)際上還受溫度的影響.如果把活度看成是摩爾分?jǐn)?shù)和溫度的函數(shù),根據(jù)表3的數(shù)據(jù)得出活度隨著摩爾分?jǐn)?shù)和溫度變化關(guān)系的曲面,如圖6所示.此外,通過理論計(jì)算而不是通過直接的試驗(yàn),就可以有效地預(yù)測三元或多元的熱力學(xué)數(shù)據(jù)[19-26].

        4 結(jié) 論

        利用最新版本的Pandat軟件,采用最新的鈦合金數(shù)據(jù)庫,對(duì)數(shù)據(jù)較為充分的AlV二元相圖進(jìn)行了計(jì)算和評(píng)估.并從中提取了Al和V不同摩爾分?jǐn)?shù)和溫度下的活度.得到如下結(jié)論:

        (1) 詳細(xì)描述了AlV二元相圖中各相的熱力學(xué)計(jì)算模型.

        (2) 利用Ti合金數(shù)據(jù)庫和熱力學(xué)模型并遵循相圖計(jì)算流程對(duì)AlV二元相圖進(jìn)行了計(jì)算.

        (3) 利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)用Pandat軟件計(jì)算的AlV二元相圖的特殊點(diǎn)(如熔點(diǎn)、包晶點(diǎn)等)進(jìn)行了評(píng)估,相對(duì)誤差均小于5%,說明了計(jì)算相圖與試驗(yàn)相圖吻合得比較好.

        (4) 從AlV二元相圖中提取了Al和V組元的活度,并找到了分別計(jì)算活度隨著摩爾百分比和溫度變化的公式,其線性相關(guān)度趨近于1.說明公式與數(shù)據(jù)匹配得非常好,有效地解決了“試驗(yàn)測活度難”的問題.

        (5)由盡量少的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)得到溫度、組成區(qū)域盡量多的信息.且可由AlV二元外推到AlErV,AlNdV,AlGdV,AlHoV和AlSiV等三元體系和多組分體系,預(yù)計(jì)體系的一些不易測定的性質(zhì),如活度等.

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