Phase Lab鎳基摩爾體積數(shù)據(jù)庫

實(shí)現(xiàn)材料物性參數(shù)的可靠預(yù)測

摩爾體積、密度、熱膨脹系數(shù)、彈性常數(shù)以及熱導(dǎo)率等是材料的基本物理性質(zhì)，針對(duì)這些物理性質(zhì)建立數(shù)據(jù)庫是材料設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的重要組成部分。熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫為動(dòng)力學(xué)模擬提供相變驅(qū)動(dòng)力和相平衡數(shù)據(jù)，同樣地, 物理性質(zhì)數(shù)據(jù)庫可為動(dòng)力學(xué)和組織模擬提供必要的物理參數(shù), 如體積、點(diǎn)陣常數(shù)、點(diǎn)陣錯(cuò)配度、彈性能和界面能等基礎(chǔ)屬性。

眾所周知，摩爾體積(或密度)是化學(xué)成分、溫度和壓力的函數(shù)，通過構(gòu)建多元多相體系的體積數(shù)據(jù)庫，可以合理解決化學(xué)成分、溫度、壓力等外界條件與材料性質(zhì)的相關(guān)性問題。Phase Lab基于CALPHAD框架內(nèi)的體積模型，配套鎳基熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了適用于寬廣成分和溫度范圍的鎳基體積數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了鎳基合金多種物性參數(shù)的可靠預(yù)測。

（一）單組元系物性參數(shù)計(jì)算 通過評(píng)估單組元在不同物相下摩爾體積、密度、點(diǎn)陣常數(shù)、線膨脹系數(shù)等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合第一性原理等理論計(jì)算結(jié)果，在CALPHAD框架下，建立單組元在不同物相的摩爾體積數(shù)據(jù)庫。采用Phase Lab軟件并結(jié)合該數(shù)據(jù)庫，可用于預(yù)測單組元摩爾體積、密度、點(diǎn)陣常數(shù)以及線膨脹系數(shù)等物性參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系。圖1計(jì)算了單組元在液相、FCC_A1以及BCC_A2相摩爾體積或密度與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果。

圖1單組元FCC_A1相的摩爾體積計(jì)算結(jié)果(a)Ni；(b)Co；(c)Al； 單組元BCC_A2相的摩爾體積計(jì)算結(jié)果(a)Mo；(b)Nb；(c)W； 單組元液相的密度計(jì)算結(jié)果(a)Al；(b)Ta；(c)V 熱膨脹系數(shù)是表征體積隨溫度變化的物理量，反映材料的微觀結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，影響材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。采用Phase Lab軟件并結(jié)合摩爾體積數(shù)據(jù)庫，可預(yù)測單組元線膨脹系數(shù)隨溫度變化關(guān)系。圖2計(jì)算了FCC_A1結(jié)構(gòu)的Ni和Co元素線膨脹系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果。

圖2 單組元FCC_A1相的線性熱膨脹系數(shù)計(jì)算結(jié)果(a)Ni；(b)Co

（二）二元系物性參數(shù)計(jì)算

通過評(píng)估二元系摩爾體積、密度、點(diǎn)陣常數(shù)、線膨脹系數(shù)等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在CALPHAD框架下，建立成分-物相-摩爾體積的定量化關(guān)系，可用于預(yù)測鎳基合金密度、晶格常數(shù)、線膨脹系數(shù)、γ/γ′錯(cuò)配度等衍生物理量。

鎳基合金的FCC_A1結(jié)構(gòu)在高溫下具有較高的穩(wěn)定性。通過計(jì)算γ相的摩爾體積，可用于合金高溫下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析。圖3分別計(jì)算了Ni-X(X=Mo、Nb、Ti和V)二元系室溫下γ相摩爾體積隨成分的變化曲線，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖3 二元系FCC相摩爾體積計(jì)算(a)Ni-Mo；(b)Ni-Nb；(c)Ni-Ti；(d)Ni-V

采用Phase Lab軟件并結(jié)合摩爾體積數(shù)據(jù)庫，可預(yù)測不同二元系的液相密度，用于合金凝固行為以及鑄造模擬中液態(tài)合金的流動(dòng)性研究。圖4分別是Ni-Co和Ni-Cr二元系液相摩爾體積或密度隨成分和溫度的變化曲線，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖4 (a) Ni-Co二元系液相摩爾體積計(jì)算值； (b) Ni-Cr二元系液相密度計(jì)算值

晶格錯(cuò)配度是描述兩種不同晶體在界面上原子排列不匹配程度的重要參數(shù)，本質(zhì)是晶格常數(shù)的差異。以Ni-Al二元系為例，γ和γ′(FCC_L12)相具有不同的晶格常數(shù)，兩者之間的晶格錯(cuò)配度對(duì)γ′相的析出以及分布起關(guān)鍵作用,如較大的晶格錯(cuò)配可能導(dǎo)致γ′相以不連續(xù)的方式析出，形成孤立的顆?；驁F(tuán)簇，而較小的晶格錯(cuò)配則可能促進(jìn)γ′相以連續(xù)或均勻的方式析出。采用Phase Lab軟件并結(jié)合摩爾體積數(shù)據(jù)庫，可預(yù)測Ni-Al二元系γ和γ′的晶格常數(shù)隨成分的變化關(guān)系。圖5(a)和(b)計(jì)算了Ni-Al二元系中γ相和γ′相室溫時(shí)晶格常數(shù)隨成分的變化關(guān)系，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，可為γ′相析出行為研究提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

圖5Ni-Al二元系FCC_A1和FCC_L12晶格常數(shù)計(jì)算值

（三）多元系物性參數(shù)計(jì)算

在枝晶凝固過程中，熔融狀態(tài)下合金的摩爾體積、密度是決定收縮程度、傳質(zhì)效率以及宏觀偏析現(xiàn)象的核心參數(shù)之一。結(jié)合PhaseLab軟件以及鎳基摩爾體積數(shù)據(jù)庫，可建立多組元系成分-物相-溫度-摩爾體積-密度的定量化關(guān)系，為多組元系合金凝固模擬提供必要的物性參數(shù)。圖6(a)預(yù)測了不同成分下Al-Co-Ni合金液相密度與溫度的關(guān)系，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比；圖6(b)是5種典型鎳基商業(yè)合金液相密度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比，兩者誤差在±3%以內(nèi)，證實(shí)摩爾體積數(shù)據(jù)庫預(yù)測多組元系摩爾體積以及密度的可靠性。

圖6 (a)Al-Co-Ni三元系不同成分條件下液相密度計(jì)算結(jié)果

(b)商業(yè)合金液相密度計(jì)算值與實(shí)測值對(duì)比結(jié)果