AlMg合金中含Er相的熱力學計算研究.pdf

1、稀土元素具有獨特的物理和化學性質,添加到鋁合金中能起一些有益作用,已成為鋁合金中常用的微合金化元素。稀土會影響鋁合金的相變過程,但稀土鋁合金系統(tǒng)及形成相的基本熱力學數據極不完整。本文全面收集和整理二元基礎熱力學數據,并通過計算分析來完善相關的鋁合金系統(tǒng)以及鋁稀土相的熱力學計算方法和基礎熱力學參數。 采用Miedema半經驗模型,通過幾個簡單的物性參數和設定的常數來計算合金系統(tǒng)的熱力學性質的方法,由于稀土元素具有不同于其它合金元素

2、的性質,在計算鋁稀土二元合金系統(tǒng)形成焓時就會有較大的誤差。因此,本研究依據已有文獻報道的鋁稀土金屬間化合物的形成焓的實驗數據,分析了Miedema模型的參數取值原理。針對稀土原子尺寸等特點,討論了鋁稀土金屬間化合物的形成焓計算值所產生誤差的原因,并由此對Miedema計算模型進修正。常見的部分鋁稀土金屬間化合物形成焓數據的文獻實驗值和MTDATA熱力學計算軟件(英國國家實驗室開發(fā))的計算值作為對應計算研究,驗證了修正計算模型的準確性。綜

3、合分析Miedema計算模型修改前后的計算結果與文獻報道的實驗值之間的誤差范圍,結果顯示修改后模型的計算誤差從36％減小到5％?；谘芯克岢龅男拚嬎隳Ｐ瓦€推測了文獻資料未報到的一些鋁稀土金屬間化合物在標準狀況下的形成焓,作為后續(xù)研究的基礎。 稀土元素具有相似的電子構型,且處于周期表中同一族系,這種特殊位置使之具有的電子能級,離子半徑,原子半徑等一般僅呈現(xiàn)微小而近乎連續(xù)的變化,推測與鋁元素形成的相同類型的金屬間化合物的性質差別

4、也不是很大；但是,稀土元素所具有的d和f電子會在形成金屬間化合物時起到相應的作用,本研究從元素相互作用成鍵的機理出發(fā),計算分析了Al3Sc,Al3Ce,Al3La,Al3Nd的形成吉布斯自由能和形成焓等熱力學函數隨溫度變化的規(guī)律。進一步計算討論分析鋁合金中稀土元素的固溶度等性質,研究了固溶度和Al3RE的形成吉布斯自由能、A1-RE相互作用能以及溫度之間的關系。Er和Al所形成的金屬間化合物Al3Er相,與A1基體保持共格關系,熔點(1

5、340K)高于鋁合金基體的熔點,隨著溫度降低,在熔體凝固過程中會優(yōu)先彌散析出,作為后續(xù)凝固時的異質形核核心,使結晶核數目增加,并抑制晶粒長大,進而使晶粒得到細化。基于計算出的基礎數據,用zhang模型和Toop模型計算了接近實用的三元系鋁鎂合金Al-Mg-Sc和Al-Mg-Er系統(tǒng)的形成焓,討論分析了微量的Sc和Er對Al-5Mg合金系統(tǒng)形成焓的影響。結果說明隨著微合金元素Sc和Er的量的增加,Al-5Mg合金系統(tǒng)的形成焓往負方向變化。

6、用交互作用強度關系式計算Al-Mg-Er和Al-Mg-Sc兩個系統(tǒng)中各個二元合金元素的相互作用強度,說明Al-Sc和Al-Er的相互作用強度遠大于Mg-Sc和Mg-Er的相互作用強度；這表明稀土元素應當是優(yōu)先與鋁合金元素結合,所以,在所研究的鋁鎂合金系統(tǒng)中一般只能形成鋁鎂相和鋁稀土相。 基于鋁鎂合金中復合添加Zr,Sc的合金體系中形成Al3(ScxZr1-x)三鋁化合物復合相粒子,本文通過熱力學計算研究結果表明,Zr原子部分代替