Zr-Al合金体系的第一性原理计算研究
发布时间：2021-07-14 19:42
金属锆及其合金具有独特的物理化学性质,在多个领域具有广泛的应用。目前研究较为成熟的锆合金体系为Zr-Sn系和Zr-Nb系,而对Zr-Al系的研究相对较少。因此,采用理论计算的方法对Zr-Al系开展系统而深入的研究,既可以为相应的实验结果提供理论支撑,也可以为后续材料的研发和设计奠定理论基础。本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,围绕Zr-Al合金体系开展了有关原子扩散、两相界面及广义堆垛层错能的相关研究。具体内容如下:分析了Zr3Al中Zr原子和Al原子可能的迁移路径,计算了各迁移路径的迁移能垒,从扩散激活能的角度确定了Zr3Al中Zr原子和Al原子最可行的扩散机制分别是:由VZr诱导的最近邻扩散机制和反位协助机制;探究了Hf、Nb、Sc和Ti四种溶质原子对Zr3Al自扩散机制的影响,发现影响Zr3Al自扩散的关键在于溶质原子的半径大小。计算了位于纯Al/Al3Zr界面和被Nb、Ti、Cu和Sc合金化的界面处由VAl介导的A...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Zr-Al二元相图
第1章绪论-3-脆性断裂的方式发生断裂；但当基体中含有α-Zr时，合金塑性增加，断裂方式也变为韧性断裂[14]。图1-2Zr3Al的单胞示意图当锆含量在53at%及以上时，Al3Zr将作为唯一的金属间化合物存在形式，且在不同的热处理方式下，Al3Zr具有四种相。第一种是由于Zr的溶入而在Al基体中形成的过饱和固溶体，由Zr-Al二元相图可知，在660.8℃发生包晶反应：L（液体）+Al3Zr→α-Al，此时液体中Zr的含量为0.11wt%，固态Al中的Zr含量达到固溶极限，为0.28%[15]，但在实际热处理过程中，平衡状态往往被打破，在快速冷却时，Zr会过饱和的固溶在Al基体中，使得Zr含量远高于理论极限，从而形成过饱和固溶体，这一部分Zr原子可以在后续的均匀化退火中析出，进而生成亚稳态的L12-Al3Zr相[16,17]；第二种是粗大的初生Al3Zr相，是由于合金中的Zr含量过高或者工艺欠佳导致的Zr的偏聚而形成的，该相的尺寸较大，通常在几百纳米到几百微米之间，其存在大大破坏了基体的连续性，且无法通过后续的热处理工艺将其完全去除，因此其存在对于材料的性能是十分不利的[18]；第三种是亚稳态的L12-Al3Zr，通过均匀化退火可以使固溶于Al基体中的Zr弥散析出，形成粒径尺寸大概为30mm左右的L12-Al3Zr相，该相为面心立方结构，具有较高的对称性，与基体的失配率仅为0.7%左右，二者呈共格关系，L12-Al3Zr强烈钉扎晶界和亚晶界，因此其存在可以有效提升基体材料的塑性，同时由于该亚稳相须在高温（＞450℃）下经长时间时效处理才会发生相变，故其能抑制合金变形及后续热处理过程中的再结晶，提升材料的耐热性能[19-22]；最后一种存在形式为平衡态的D023-Al3Zr相，该相是由亚稳态的L12-Al3Zr相结合固溶于Al基体中的Zr元素进一步转化而来，其与基体的共格倾向较?
燕山大学工程硕士学位论文-4-为粗大，无法对基体后续的再结晶过程起到良好的抑制作用[23,24]。图1-3给出了Al3Zr的两种晶体结构，其中，图1-3(a)为亚稳相L12-Al3Zr，图1-3(b)为稳态结构D023-Al3Zr。图1-3Al3Zr单胞示意图：(a)L12-Al3Zr，(b)D023-Al3Zr1.2.2Zr-Al合金体系研究进展截止到目前，国内外已开展了诸多有关Zr-Al合金体系的科学研究。Paljevi等人[25]利用非自耗电弧熔炼技术制备出了成分较为均匀的ZrAl2和ZrAl3合金，通过吸氧速率探究合金的氧化过程和机制，结果发现由于ZrAl2中的Al含量高于其他几相，Al原子在氧化物-合金的界面积聚很快，来不及发生氧化而是进入到ZrAl2基体中，在氧化物和合金的界面处生成ZrAl3，而ZrAl3是所有Zr-Al二元化合物中Al含量最高的，因此Al原子不可能继续扩散到其中发生后续相变反应，由此来看，合金发生的氧化过程与体系内原子的扩散行为密切相关。Zr3Al基合金受快中子的影响很大，在快中子连续辐照的情况下，Zr3Al基合金呈无规律性的持续线性增长，且合金的塑性随着辐照强度的变化而变化，这表明在快中子辐照的影响下，Zr3Al基合金内晶格发生各向异性增长，这可能与被辐照影响的原子扩散行为相关[26]。此外，研究表明在Zr3Al基合金中加入Nb元素有利于使塑性更好的高温相β-Zr保留至室温，但需提高退火温度促进β-Zr+Zr2AlZr3Al的进行，
【参考文献】：
期刊论文
[1]Point defect concentrations of L12-Al3X（Sc,Zr,Er）[J]. Shun-Ping Sun,Xiao-Ping Li,Jie Yang,Hong-Jin Wang,Yong Jiang,Dan-Qing Yi. Rare Metals. 2018(08)
[2]Bulk Al–Al3Zr composite prepared by mechanical alloying and hot extrusion for high-temperature applications[J]. E.Pourkhorshid,M.H.Enayati,S.Sabooni,F.Karimzadeh,M.H.Paydar. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2017(08)
[3]Twinnability Predication for fcc Metals[J]. B.Q.Li1),M.L.Sui2) and S.X.Mao3) 1) Shenyang National Laboratory for Materials Science,Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China 2) Institute of Microstructure and Properties of Advanced Materials,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China 3) Department of Mechanical Engineering and Materials Science,University of Pittsburgh,Pittsburgh,Pennsylvania 15261,USA. Journal of Materials Science & Technology. 2011(02)
[4](ZrB2+Al3Zr)/ZL101原位复合材料的微观组织及强化机理[J]. 赵玉厚,石益海. 西安工业大学学报. 2008(01)
[5](Al3Zr+ZrB2)/ZL101原位复合材料力学性能和显微组织研究[J]. 阴瑜娟,赵玉厚,夏永喜,石益海. 稀有金属材料与工程. 2007(S3)
[6]钪—铝合金的新型微量合金元素[J]. 王祝堂,张燕,江斌. 轻合金加工技术. 2000(01)
[7]微量Sc和Zr对2618铝合金再结晶行为的影响[J]. 余琨,李松瑞,黎文献,肖于德. 中国有色金属学报. 1999(04)
[8]Al-Ti 和 Al-Zr 中间合金组织遗传性对铝合金铸造组织的影响[J]. 张映新. 轻合金加工技术. 1998(11)
[9]快速凝固AI-Fe系耐热合金的发展[J]. 李庆春,王自东,曾松岩,蒋祖龄,段守坤. 材料科学与工程. 1992(03)
博士论文
[1]Zr3Al基合金的化学成分设计与组织性能探究[D]. 李建辉.燕山大学 2016
本文编号：3284771
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Zr-Al二元相图
第1章绪论-3-脆性断裂的方式发生断裂；但当基体中含有α-Zr时，合金塑性增加，断裂方式也变为韧性断裂[14]。图1-2Zr3Al的单胞示意图当锆含量在53at%及以上时，Al3Zr将作为唯一的金属间化合物存在形式，且在不同的热处理方式下，Al3Zr具有四种相。第一种是由于Zr的溶入而在Al基体中形成的过饱和固溶体，由Zr-Al二元相图可知，在660.8℃发生包晶反应：L（液体）+Al3Zr→α-Al，此时液体中Zr的含量为0.11wt%，固态Al中的Zr含量达到固溶极限，为0.28%[15]，但在实际热处理过程中，平衡状态往往被打破，在快速冷却时，Zr会过饱和的固溶在Al基体中，使得Zr含量远高于理论极限，从而形成过饱和固溶体，这一部分Zr原子可以在后续的均匀化退火中析出，进而生成亚稳态的L12-Al3Zr相[16,17]；第二种是粗大的初生Al3Zr相，是由于合金中的Zr含量过高或者工艺欠佳导致的Zr的偏聚而形成的，该相的尺寸较大，通常在几百纳米到几百微米之间，其存在大大破坏了基体的连续性，且无法通过后续的热处理工艺将其完全去除，因此其存在对于材料的性能是十分不利的[18]；第三种是亚稳态的L12-Al3Zr，通过均匀化退火可以使固溶于Al基体中的Zr弥散析出，形成粒径尺寸大概为30mm左右的L12-Al3Zr相，该相为面心立方结构，具有较高的对称性，与基体的失配率仅为0.7%左右，二者呈共格关系，L12-Al3Zr强烈钉扎晶界和亚晶界，因此其存在可以有效提升基体材料的塑性，同时由于该亚稳相须在高温（＞450℃）下经长时间时效处理才会发生相变，故其能抑制合金变形及后续热处理过程中的再结晶，提升材料的耐热性能[19-22]；最后一种存在形式为平衡态的D023-Al3Zr相，该相是由亚稳态的L12-Al3Zr相结合固溶于Al基体中的Zr元素进一步转化而来，其与基体的共格倾向较?
燕山大学工程硕士学位论文-4-为粗大，无法对基体后续的再结晶过程起到良好的抑制作用[23,24]。图1-3给出了Al3Zr的两种晶体结构，其中，图1-3(a)为亚稳相L12-Al3Zr，图1-3(b)为稳态结构D023-Al3Zr。图1-3Al3Zr单胞示意图：(a)L12-Al3Zr，(b)D023-Al3Zr1.2.2Zr-Al合金体系研究进展截止到目前，国内外已开展了诸多有关Zr-Al合金体系的科学研究。Paljevi等人[25]利用非自耗电弧熔炼技术制备出了成分较为均匀的ZrAl2和ZrAl3合金，通过吸氧速率探究合金的氧化过程和机制，结果发现由于ZrAl2中的Al含量高于其他几相，Al原子在氧化物-合金的界面积聚很快，来不及发生氧化而是进入到ZrAl2基体中，在氧化物和合金的界面处生成ZrAl3，而ZrAl3是所有Zr-Al二元化合物中Al含量最高的，因此Al原子不可能继续扩散到其中发生后续相变反应，由此来看，合金发生的氧化过程与体系内原子的扩散行为密切相关。Zr3Al基合金受快中子的影响很大，在快中子连续辐照的情况下，Zr3Al基合金呈无规律性的持续线性增长，且合金的塑性随着辐照强度的变化而变化，这表明在快中子辐照的影响下，Zr3Al基合金内晶格发生各向异性增长，这可能与被辐照影响的原子扩散行为相关[26]。此外，研究表明在Zr3Al基合金中加入Nb元素有利于使塑性更好的高温相β-Zr保留至室温，但需提高退火温度促进β-Zr+Zr2AlZr3Al的进行，
【参考文献】：
期刊论文
[1]Point defect concentrations of L12-Al3X（Sc,Zr,Er）[J]. Shun-Ping Sun,Xiao-Ping Li,Jie Yang,Hong-Jin Wang,Yong Jiang,Dan-Qing Yi. Rare Metals. 2018(08)
[2]Bulk Al–Al3Zr composite prepared by mechanical alloying and hot extrusion for high-temperature applications[J]. E.Pourkhorshid,M.H.Enayati,S.Sabooni,F.Karimzadeh,M.H.Paydar. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2017(08)
[3]Twinnability Predication for fcc Metals[J]. B.Q.Li1),M.L.Sui2) and S.X.Mao3) 1) Shenyang National Laboratory for Materials Science,Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China 2) Institute of Microstructure and Properties of Advanced Materials,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China 3) Department of Mechanical Engineering and Materials Science,University of Pittsburgh,Pittsburgh,Pennsylvania 15261,USA. Journal of Materials Science & Technology. 2011(02)
[4](ZrB2+Al3Zr)/ZL101原位复合材料的微观组织及强化机理[J]. 赵玉厚,石益海. 西安工业大学学报. 2008(01)
[5](Al3Zr+ZrB2)/ZL101原位复合材料力学性能和显微组织研究[J]. 阴瑜娟,赵玉厚,夏永喜,石益海. 稀有金属材料与工程. 2007(S3)
[6]钪—铝合金的新型微量合金元素[J]. 王祝堂,张燕,江斌. 轻合金加工技术. 2000(01)
[7]微量Sc和Zr对2618铝合金再结晶行为的影响[J]. 余琨,李松瑞,黎文献,肖于德. 中国有色金属学报. 1999(04)
[8]Al-Ti 和 Al-Zr 中间合金组织遗传性对铝合金铸造组织的影响[J]. 张映新. 轻合金加工技术. 1998(11)
[9]快速凝固AI-Fe系耐热合金的发展[J]. 李庆春,王自东,曾松岩,蒋祖龄,段守坤. 材料科学与工程. 1992(03)
博士论文
[1]Zr3Al基合金的化学成分设计与组织性能探究[D]. 李建辉.燕山大学 2016
本文编号：3284771
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/boshibiyelunwen/3284771.html
