Phase Lab鎳基摩爾體積數(shù)據(jù)庫

實現(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)，針對這些物理性質(zhì)建立數(shù)據(jù)庫是材料設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的重要組成部分。熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫為動力學(xué)模擬提供相變驅(qū)動力和相平衡數(shù)據(jù)，同樣地, 物理性質(zhì)數(shù)據(jù)庫可為動力學(xué)和組織模擬提供必要的物理參數(shù), 如體積、點陣常數(shù)、點陣錯配度、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)計算 通過評估單組元在不同物相下摩爾體積、密度、點陣常數(shù)、線膨脹系數(shù)等實驗數(shù)據(jù)，并結(jié)合第一性原理等理論計算結(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計算了單組元在液相、FCC_A1以及BCC_A2相摩爾體積或密度與實驗數(shù)據(jù)的對比結(jié)果。

圖1單組元FCC_A1相的摩爾體積計算結(jié)果(a)Ni；(b)Co；(c)Al； 單組元BCC_A2相的摩爾體積計算結(jié)果(a)Mo；(b)Nb；(c)W； 單組元液相的密度計算結(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，并與實驗數(shù)據(jù)對比結(jié)果。

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

（二）二元系物性參數(shù)計算

通過評估二元系摩爾體積、密度、點陣常數(shù)、線膨脹系數(shù)等實驗數(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，并與實驗數(shù)據(jù)對比。

圖3 二元系FCC相摩爾體積計算(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，并與實驗數(shù)據(jù)對比。

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

晶格錯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)，兩者之間的晶格錯配度對γ′相的析出以及分布起關(guān)鍵作用,如較大的晶格錯配可能導(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)計算了Ni-Al二元系中γ相和γ′相室溫時晶格常數(shù)隨成分的變化關(guān)系，并與實驗數(shù)據(jù)對比，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)計算值

（三）多元系物性參數(shù)計算

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，并與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比；圖6(b)是5種典型鎳基商業(yè)合金液相密度計算值與實驗值對比，兩者誤差在±3%以內(nèi)，證實摩爾體積數(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算結(jié)果

(b)商業(yè)合金液相密度計算值與實測值對比結(jié)果