一种预定弹性模量Al-Ti-Zr合金材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种预定弹性Al‑Ti‑Zr合金材料的制备方法，属于材料研究方法及技术领域。该方法综合利用Calphad相图计算、第一性原理计算和真空电弧熔炼实验，通过建立Al‑Ti‑Zr体系的“原子排布‑合金成分‑合成温度‑相结构‑弹性模量”大数据库，可以快速获得目标弹性的Al‑Ti‑Zr合金的合金成分、合成温度及相组成信息，直接用于指导预定弹性的Al‑Ti‑Zr合金的制备。与传统材料设计方法相比，该方法的针对性和目的性更强，在建立起Al‑Ti‑Zr合金的大数据库之后，可以反复利用该数据库指导不同目标弹性的Al‑Ti‑Zr合金的制备，极大的节省了人力物力成本。

Preparation of Al-Ti-Zr Alloy Material with Predicted Elastic Modulus

The invention discloses a preparation method of a predetermined elastic Al_Ti_Zr alloy material, which belongs to the material research method and the technical field. This method synthesizes Calphad phase diagram calculation, first principles calculation and vacuum arc melting experiment. By establishing a large database of \atomic arrangement, alloy composition, synthesis temperature, phase structure and elastic modulus\ of Al Ti Zr system, the alloy composition, synthesis temperature and phase composition information of Al Ti Zr alloy with target elasticity can be obtained quickly, which can be directly used to guide the predetermined elasticity. Preparation of Al Ti Zr alloy. Compared with the traditional material design method, this method has stronger pertinence and purpose. After the establishment of a large database of Al_Ti_Zr alloys, the database can be used repeatedly to guide the preparation of Al_Ti_Zr alloys with different elasticities, which greatly saves human and material costs.

【技术实现步骤摘要】
一种预定弹性模量Al-Ti-Zr合金材料的制备方法
本专利技术属于材料研究方法及
，具体涉及一种预定弹性模量Al-Ti-Zr合金材料的制备方法。
技术介绍
Al-Ti合金密度低、耐热性好,具有高的比强度、比刚度,以及高的抗高温蠕变性能和抗氧化性能,因而成为超高音速飞行器和下一代先进航空发动机的首选材料，而影响Al-Ti合金应用的最大障碍是室温下缺乏足够的延性。为了克服上述不足，很多学者对Al-Ti合金添加第三种合金元素进行了研究，添加合金元素是改变合金组织与性能常用而最有效的方法，其中，Zr元素的添加可提高Al-Ti合金的高温耐久性和耐腐蚀性，Zr的加入也提高了延展性，从而提高了Al-Ti基合金在室温下的加工性能。第一性原理计算(First-Principlescalculations)是基于密度泛函理论的一种理论分析方法，它只采用了5个基本物理常数：m0、e、h、c、kb而不依赖任何经验参数即可合理的预测微观体系的状态和性质。密度泛函理论(DFT，DensityFunctionalTheory)的关键之处是将电子密度分布，不再作为电子波函数分布，而是作为试探函数，将总能E表示为电子密度的泛函。第一性原理的计算方法是它的基本原理是通过赝势法求解密度泛函理论的Kohn-Sham方程：F[ρ]＝<Φ|T+V|Φ>，得到多电子系统的总能和电荷密度空间分布。真空电弧熔炼炉是冶金熔炼设备的一种，其原理是由炉顶通入的电极和炉底水冷结晶器通电引弧后，产生电弧，借电弧热量使金属或合金熔化，并在结晶器内凝固。进行电弧熔炼的一般步骤为：1)按照指定的合金成分准备相应质量的Al，Ti，Zr纯元素样品；2)把样品放在电弧熔炼炉的槽内，开始熔炼，单次熔炼时间不超过90s；3)适当的翻转样品，反复熔炼6次左右，保证熔炼均匀。现有技术中，常盲目的设定参数来制备预定弹性的Al-Ti-Zr合金，这样不仅很难制备出所需的合金材料，还会浪费大量的人力物力，为了解决这一问题，本专利技术提供了一种新型的预定弹性的Al-Ti-Zr合金的材料设计方法，可以实现精准的控制Al-Ti-Zr合金的合金成分以获得目标弹性性能的Al-Ti-Zr合金。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种针对性更强的预定弹性Al-Ti-Zr合金材料的制备方法，通过建立Al-Ti-Zr合金体系的大数据库，可以根据预定弹性参数快速获得制备Al-Ti-Zr合金的其他参数，该方法节省了大量的人力物力成本，大大提高了制备预定弹性Al-Ti-Zr合金的效率。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种预定弹性模量Al-Ti-Zr合金材料的制备方法，包括以下步骤：(1)确定Al-Ti-Zr体系中不同相的点阵模型和热力学模型，通过第一性原理计算出相关端基组元的生成焓值作为输入值，耦合Calphad相图计算方法，再经过迭代计算得到Al-Ti-Zr体系的热力学参数并构建热力学数据库，从而计算出Al-Ti-Zr体系的相图；(2)利用第一性原理方法计算指定成分的Al-Ti-Zr合金材料的弹性常数矩阵，从而计算出体模量B和剪切模量GR，再利用经验公式计算得到Al-Ti-Zr合金材料的弹性模量E；(3)利用真空电弧熔炼实验方法制备指定成分的Al-Ti-Zr合金材料，再对其进行高分辨材料性能表征，得到合金成分、合成温度、相结构和弹性模量的实验数据；(4)对上述计算结果和实验结果进行相互关联并验证，构建合金成分-合成温度-相组成-弹性模量的对应关系，建立起Al-Ti-Zr合金体系数据库；(5)根据Al-Ti-Zr合金材料的预定弹性模量，从所述Al-Ti-Zr合金体系数据库中得到其对应参数，最后制得所述Al-Ti-Zr合金材料。本专利技术方法中的Calphad相图计算方法、第一性原理计算方法和真空电弧熔炼实验方法三种材料研究方法共同服务于Al-Ti-Zr体系的“原子排布-合金成分-合成温度-相结构-弹性模量”大数据库的建立，这三种材料研究方法能分别获得Al-Ti-Zr体系大数据库的部分材料信息及其相互关联，通过将三种方法有机的结合在一起，可以相互验证其获取信息的准确性从而不仅能建立起研究体系的大数据库，而且可以自我验证数据库的正确性。该方法可以直接指导于预定弹性的Al-Ti-Zr合金材料的合成，对于期望Al-Ti-Zr合金的产品研发具有重要意义。步骤(1)中，利用Calphad相图计算方法优化所研究Al-Ti-Zr体系的热力学参数，计算相平衡，得到Al-Ti-Zr体系的准确相图以及合金成分、合成温度和相结构的关系。Calphad相图计算方法是一种广泛使用的热力学体系优化方法，利用这种方法可以得到体系准确的相图，也可以分析得到体系中合金成分、合成温度和相结构的关系，利用其优化Al-Ti-Zr体系热力学参数的主要步骤为：步骤1：收集文献中Al-Ti-Zr体系的热力学实验数据并对其评估。步骤2：确定点阵模型和热力学模型，通过热力学模型的表达式结合数学拟合来描述吉布斯自由能表达式：纯元素选用数学拟合模型，其吉布斯自由能用表达式(a)来描述：其中，为标准元素参考态(298.15K和一个标准大气压)下的焓值，指定为零；a,b,c,d…为待拟合参数，采用已被广泛接受和应用数值，可参考Dinsdale等人在《SGTEDATAFORPUREELEMENTS》中确定的数值。溶体相的吉布斯自由能用表达式(b)来描述：式(b)中，和是纯组元i和j的标准摩尔吉布斯自由能，R是摩尔气体常数，EG是过剩吉布斯能，用R-K多项式表示为：EG＝xi·xj[a0+b0·T+(xi–xj)(a1+b1·T)+(xi–xj)2·(a2+b2·T)+...]上式中，a和b为需要优化的参数，可参考Redlich和Kister等人在《ALGEBRAICREPRESENTATIONOFTHERMODYNAMICPROPERTIESANDTHECLASSIFICATIONOFSOLUTIONS》中对过剩吉布斯自由能的拟合。化合物相可以分为线性化合物和有固溶度的化合物，它们的吉布斯自由能都用亚点阵模型来描述。对线性化合物来说，例如：(Ti)x(Al)y吉布斯自由能用下式(c)来描述：式(c)中，A和B是需要优化的值，A在数值上为这种化合物的生成焓值，可以通过第一性原理可计算得到，这样可以大大的提高优化效率。对有固溶度的化合物来说，例如：(Ti,Al,Zr)x(Ti,Al,Zr)y，它的吉布斯自由能用表达式(d)来描述：式(d)中，为端基化合物的吉布斯自由能，其表达式与线性化合物的吉布斯自由能一致，同样可以通过第一性原理计算出它的生成焓，作为A值输入去优化，大大减少了工作量；Li,j:k和Lk:i,j为需要优化的参数，Li,j:k表示当第二个亚点阵中充满了k组元时，第一个亚点阵中i和j的相互作用参数，Lk:i,j表示相似的含义。步骤3：利用Calphad热力学优化软件Thermo-Calc的PARROT模块进行优化计算，待优化的相图与实验相图相吻合时，结束优化，得到一组自恰的热力学参数；步骤4：将吉布斯自由能的参数按照特定格式写进.tdb文件中，完成体系热力学数据库的构建；步骤5：利用得到的热力学数据库，计算出Al-Ti-Zr体系的相图，得到Al本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种预定弹性模量Al‑Ti‑Zr合金材料的制备方法，包括以下步骤：(1)确定Al‑Ti‑Zr体系中不同相的点阵模型和热力学模型，通过第一性原理计算出相关端基组元的生成焓值作为输入值，耦合Calphad相图计算方法，再经过迭代计算得到Al‑Ti‑Zr体系的热力学参数并构建热力学数据库，从而计算出Al‑Ti‑Zr体系的相图；(2)利用第一性原理方法计算指定成分的Al‑Ti‑Zr合金材料的弹性常数矩阵，从而计算出体模量B和剪切模量GR，再利用经验公式计算得到Al‑Ti‑Zr合金材料的弹性模量E；(3)利用真空电弧熔炼实验方法制备指定成分的Al‑Ti‑Zr合金材料，再对其进行高分辨材料性能表征，得到合金成分、合成温度、相结构和弹性模量的实验数据；(4)对上述计算结果和实验结果进行相互关联并验证，构建合金成分‑合成温度‑相组成‑弹性模量的对应关系，建立起Al‑Ti‑Zr合金体系数据库；(5)根据Al‑Ti‑Zr合金材料的预定弹性模量，从所述Al‑Ti‑Zr合金体系数据库中得到其对应参数，最后制得所述Al‑Ti‑Zr合金材料。

【技术特征摘要】
1.一种预定弹性模量Al-Ti-Zr合金材料的制备方法，包括以下步骤：(1)确定Al-Ti-Zr体系中不同相的点阵模型和热力学模型，通过第一性原理计算出相关端基组元的生成焓值作为输入值，耦合Calphad相图计算方法，再经过迭代计算得到Al-Ti-Zr体系的热力学参数并构建热力学数据库，从而计算出Al-Ti-Zr体系的相图；(2)利用第一性原理方法计算指定成分的Al-Ti-Zr合金材料的弹性常数矩阵，从而计算出体模量B和剪切模量GR，再利用经验公式计算得到Al-Ti-Zr合金材料的弹性模量E；(3)利用真空电弧熔炼实验方法制备指定成分的Al-Ti-Zr合金材料，再对其进行高分辨材料性能表征，得到合金成分、合成温度、相结构和弹性模量的实验数据；(4)对上述计算结果和实验结果进行相互关联并验证，构建合金成分-合成温度-相组成-弹性模量的对应关系，建立起Al-Ti-Zr合金体系数据库；(5)根据Al-Ti-Zr合金材料的预定弹性模量，从所述Al-Ti-Zr合金体系数据库中得到其对应参数，最后制得所述Al-Ti-Zr合金材料。2.根据权利要求1所述的预定弹性模量Al-Ti-Zr合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，利用Calphad相图计算方法优化Al-Ti-Zr体系热力学参数的主要步骤为：步骤1：收集文献中Al-Ti-Zr体系的热力学实验数据并对其评估；步骤2：确定Al-Ti-Zr体系点阵模型和热力学模型，通过热力学模型的表达式结合数学拟合来描述吉布斯自由能表达式；步骤3：利用Calphad热力学优化软件Thermo-Calc的PARROT模块进行优化计算，待优化的相图与实验相图相吻合时，结束优化，得到一组自恰的热力学参数；步骤4：将吉布斯自由能的参数按照特定格式写进.tdb文件中，完成体系热力学数据库的构建；步骤5：利用得到的热力学数据库，计算出Al-Ti-Zr体系的相图，得到Al-Ti-Zr体系的相图以及合金成分、温度和相组成的关系。3.根据权利要求1或2所述的预定弹性模量Al-Ti-Zr合金材料的制备方法，其特征在于，所述Al-Ti-Zr体系热力学模型具体为：纯元素选用数学拟合模型；固溶相选用亚正规溶体模型，其中过...

【专利技术属性】
技术研发人员：常可可，邓子旋，黄峰，陈雷雷，李朋，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33