Ti-RE（RE=Ce，Er，Tm，Y）和Ti-V-M（M=Nb，Si，Ta）体系的相图热力学研究

发布时间：2020-05-26 13:34

【摘要】：Ti及Ti合金具有良好的耐热和耐腐蚀性、高比强度和生物相容性好等优异的综合性能,是航空航天、石油化工、生物医用等领域的重要结构材料。Ce、Er、Tm、Y、V、Nb、Si和Ta等元素是Ti合金中常用的合金元素或添加元素。为了开发高性能Ti合金并改进其制备工艺,有必要获得精准的多组元Ti基合金体系的相图热力学信息。就目前而言,关于Ti-RE(RE=Ce,Er,Tm,Y)和Ti-V-M(M=Nb,Si,Ta)体系的相图热力学信息尚无研究报道。针对此现象,本论文采用相图计算(CALPHAD:CALculation of PHAse Diagrams)方法,借助 Thermo-Calc 软件,对 Ti-RE(RE=Ce,Er,Tm,Y)4 个二元系和 Ti-V-M(M=Nb,Si,Ta)3 个三元系进行了相图热力学研究,主要取得的成果如下:(1)基于文献报道的Ti-RE(RE=Ce,Tm,Y)二元系的实验相平衡数据,采用置换溶液模型对液相、bcc(βTi,δCe,βY)、hcp(αTi,Er,Tm,αY)和 fcc(γCe,γY)等固溶体相进行建模。采用CALPHAD方法,对Ti-RE(RE=Ce,Er,Tm,Y)体系进行了相图热力学计算,首次获得了一套自洽的热力学参数。通过与实验数据比较,本工作获得的热力学参数可准确描述实验相平衡数据。(2)基于文献报道的边际二元系(Ti-V,Ti-Nb,Ti-Ta,V-Nb和V-Ta)热力学参数和三元系的实验相平衡数据,采用CALPHAD方法,对Ti-V-Nb和Ti-V-Ta体系进行了热力学优化。上述体系中无三元化合物稳定存在。对于bcc(βTi,V,Nb,Ta)和hep(αTi)等固溶体相,采用置换溶液模型对其进行热力学建模,通过优化获得了一套描述Ti-V-Nb和Ti-V-Ta体系的热力学参数,并计算了一系列代表性的等温截面、垂直截面、液相面和固相面投影图。通过与实验数据对比,本工作获得的热力学参数与实验数据相吻合。(3)采用关键合金、第一性原理计算和CALPHAD方法,基于文献报道的Ti-V-Si体系实验相平衡数据,对该体系进行了系统的相图热力学研究。配制关键合金,采用XRD和SEM/EDX等检测方法,对Ti-V-Si体系800℃等温截面进行了实验研究。借助第一性原理计算了端际化合物在0K时的形成焓,作为优化计算计算的初始值。采用亚点阵模型对具有溶解度的二元化合物进行了热力学描述。基于三元化合物τ-(TixV1-x)Si的晶体结构和溶解度,采用亚点阵模型(Ti%,V)1(Ti,V%)1Si2对其进行热力学建模,将其描述为线性化合物。采用CALPHAD方法对Ti-V-Si体系进行了热力学优化,获得了一套描述该体系的热力学参数。计算的等温截面与实验数据相吻合。此外,本工作还计算了液相面投影图,并绘制了完整的希尔反应图。图[22]表[10]参[143]。
【图文】：

实验数据,成分

逦Ｍｏｌｅ邋ｆｒａｃｔｉｏｎ邋Ｔｉ逦Ｔｉ逡逑图２－２本工作计算的Ｔｉ－Ｅｒ二元系相图逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋Ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ邋ｐｈａｓｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋Ｔｉ－Ｅｒ邋ｂｉｎａｒｙ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ａｃｃｏｒｄｉｎｇ邋ｔｏ邋ｔｈｅ邋ｐｒｅｓｅｎｔ邋ｗｏｒｋ逡逑－２１邋－逡逑

相图,实验数据,成分,相图

ｗｈｏｌｅ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ；邋（ｂ）邋ｔｈｅ邋Ｔｉ－ｒｉｃｈ邋ｓｉｄｅ邋ａｌｏｎｇ邋ｗｉｔｈ邋ｔｈｅ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｄａｔａｓ１３４１；邋（ｃ）邋ｔｈｅ邋Ｙ－ｒｉｃｈ邋ｓｉｄｅ逡逑ａｌｏｎｇ邋ｗｉｔｈ邋ｔｈｅ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｄａｔａｓ［４１＞４３］逡逑图２－４为计算的Ｔｉ－Ｙ体系的相图，其中图２－４邋（ａ）是本工作计算的整个成分逡逑的相图，图２－４邋（ｂ）是富Ｔｉ端与实验数据［３４］的比较，图２－４邋（ｃ）是富Ｙ端与实逡逑验数据［４１，４３］的比较。通过图２－４邋（ａ）和图２－１邋（ａ），我们可以看出Ｔｉ－Ｙ和Ｔｉ－Ｃｅ逡逑二元系的相图，符合Ｔｉ－ＲＥ邋（稀土）体系的普遍特征，不存在金属间化合物，，各逡逑固溶体间存在一定的相互固溶度，在液相存在溶解度间隙。另外，Ｔｉ－Ｙ体系与Ｔｉ－Ｃｅ逡逑体系一样，存在四个零变量反应，即邋Ｌｉｑｕｉｄ＃ｌ邋＾邋Ｌｉｑｕｉｄ＃２邋＋邋（ｐＴｉ）、Ｌｉｑｕｉｄ＃ｌ邋＋邋（ｐＴｉ）逡逑＾邋（ａＴｉ）、Ｌｉｑｕｉｄ＃ｌ邋＾邋（５Ｃｅ）邋＋邋（ａＴｉ）和（ＳＣｅ）邋＾邋（ｙＣｅ）邋＋邋（ａＴｉ）。结合图邋２－４邋与表邋２－２逡逑中的数据，本工作优化的结果能够很好的描述Ｔｉ－Ｙ体系的相平衡关系。此外，通逡逑－２３－逡逑
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG146.23

【参考文献】