Ni-V-Zn三元相图的实验测量与热力学计算

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在现代工业生产建设中,含硅结构钢是使用最广泛的钢材之一。减少钢材腐蚀常见的方法是应用热浸锌技术,然而结构钢热镀锌时产生硅反应性,导致镀层质量及耐腐蚀性能下降。在锌浴中添加一定量的合金元素可以改善镀层组织和性能,其中金属钒(V)、镍(Ni)均是有效抑制含硅钢的硅反应添加元素,但对于硅含量较高的活性钢(Q235、Q345等)的硅反应抑制效果一般。相关研究表明镍钒协同作用对硅含量较高的活性钢硅反应效果显著,不仅使镀层减薄,而且还能显著提高镀层的耐腐蚀性和抗氧化性。本工作采用实验方法测量了Ni-V-Zn三元体系的相平衡关系,并采用CALPHAD技术优化计算了该三元系,以期为活性钢热浸锌镀层的成分设计及工艺参数的优化提供科学依据。在本工作中采用平衡合金法制备合金样品,通过使用扫描电子显微镜和能谱仪(SEM-EDS),以及X-射线衍射仪等设备观察与分析合金样品的组织、成分和相组成,获得了Ni-V-Zn三元系在450℃和600℃的等温截面。Ni-V-Zn三元系450℃等温截面存在10个三相平衡区,即:L+δ+VZn3,δ+VZn3+γ,VZn3+γ+V4Zn5,γ+V4Zn5+α-V,Ni2V7+γ+α-V,Ni2V7+γ+σ,γ+σ+β1,σ+β1+Ni2V,β1+Ni2V+Ni3V,β1+Ni3V+(Ni)。在600℃等温截面存在9个三相区,即:L+VZn3+γ,VZn3+γ+V4Zn5,γ+V4Zn5+α-V,Ni2V7+γ+α-V,Ni2V7+γ+σ,γ+σ+β1,σ+β1+Ni2V,β1+Ni2V+Ni3V,β1+Ni3V+(Ni)。两个等温截面均未发现三元化合物存在。在450℃等温截面中,V在γ,δ和β1中的溶解度为1.38,3.29和3.7 at.%,Zn在Ni2V7,Ni2V,σ和Ni3V中溶解度分别为0.48,2.3,4.7和2.6 at.%;在600℃等温截面中,液相L(η-Zn)中V、Ni溶解度分别为1.2 at.%和1.1 at.%,V在γ和β1中的溶解度为2.5和4.0 at.%,Zn在Ni2V7,Ni2V,σ和Ni3V相中溶解度分别为0.5,2.2,9.48和2.8 at.%。在450℃和600℃等温截面中,Ni在VZn3和V4Zn5中溶解度很小,均不超过0.3 at.%。结合本工作的实验相图,系统地收集、整理文献报道的三个二元系实验数据及热力学参数,采用CALPHAD技术对Ni-V-Zn三元系进行了热力学优化计算:溶体相均采用置换溶液模型,化合物σ和Ni3V分别采用亚点阵模型模拟为(Ni,V)10(Zn,V)4(Zn,Ni,V)16和(Zn,Ni,V)3(Ni,Zn,V)11采用亚点阵(V,Ni,Zn)1(Ni,Zn)1描述,以适应多组分系统。计算得到的温度截面与实验测量结果吻合较好,获得了一套合理、自洽的热力学参数。此外,还运用所得到的Ni-V-Zn三元热力学数据库预测了Ni-V-Zn三元体系的液相面投影图。
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