【摘 要】
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高温高熵合金是基于高熵合金的设计理念,由难熔元素组成的一种新型高熵合金,不仅具备高熵合金的良好力学性能,而且作为高温合金具有优异的高温性能,在航空航天等领域极具应用前景。但当前针对高温高熵合金的研发仍处于“试错”式的实验探索阶段。随着材料设计理论和计算方法的发展,基于精准相图热力学信息的热力学计算CALPHAD(CALculation of PHAse Diagram)为高性能合金的高效设计提供了
【基金项目】
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国家自然科学基金青年科学基金项目(E52101012); 河北省自然科学基金绿色通道项目(E2019202234); 金属材料磨损控制与成型技术国家地方联合工程研究中心开放基金(HKDNM2019019);
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高温高熵合金是基于高熵合金的设计理念,由难熔元素组成的一种新型高熵合金,不仅具备高熵合金的良好力学性能,而且作为高温合金具有优异的高温性能,在航空航天等领域极具应用前景。但当前针对高温高熵合金的研发仍处于“试错”式的实验探索阶段。随着材料设计理论和计算方法的发展,基于精准相图热力学信息的热力学计算CALPHAD(CALculation of PHAse Diagram)为高性能合金的高效设计提供了新思路。但目前文献中有关高温高熵合金热力学数据库的报道还相对较缺乏。据此,本论文以高温高熵合金中常见的添加元素组成的Mo-Nb-Ta-W-Hf-Zr六元系为研究对象,采用CALPHAD方法建立体系的第三代热力学数据库,并采用热力学计算对高温高熵合金中的相稳定性进行了分析。所取得的研究成果如下:(1)结合分段回归模型、Two-State模型和热空位描述完善了纯元素第三代热力学模型;收集并评估了文献中报道的Mo、Nb、Ta、W、Hf和Zr纯元素的热力学性质及空位浓度等实验数据;采用第三代热力学模型建立了上述元素固相和液相在整个温度区间的Gibbs自由能表达式。计算得到的热容、焓值、能量及热空位等均可很好的符合实验数据,验证了本工作所建立的纯元素第三代热力学描述的可靠性。(2)评估了文献中报道的Mo-Nb-Ta-W-Hf-Zr六元系中15个边际二元系和14个边际三元系的相平衡信息和热力学性质等实验数据;结合本工作建立的纯元素的第三代Gibbs自由能表达式,采用CALPHAD方法对边际二元和三元体系进行了热力学优化。计算得到的二元和三元相平衡信息、热力学性质等均可很好的符合实验信息。并采用热力学外推建立了Mo-Nb-Ta-W-Hf-Zr体系热力学数据库。(3)基于外推得到的热力学数据库对Mo-Nb-Ta-W和Mo-Nb-W-Zr四元体系的相平衡信息进行计算,综合对比实验数据验证了热力学数据库的可靠性;并基于Scheil凝固模型对MoNbTaW和MoNbTaWZr高温高熵合金的非平衡凝固过程进行预测,分析元素在合金中的分布,对比实验结果进一步验证了数据库的可靠性;最后采用热力学计算对Mo-Nb-Ta-W-Hf-Zr体系中包含的15个边际四元高熵合金、6个边际五元高熵合金和MoNbTaWHfZr六元高熵合金的相稳定性进行了预测和分析。
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