利用Phase Lab镍基摩尔体积数据库实现材料物性参数的精准预测

 

Phase Lab 镍基摩尔体积数据库

实现材料物性参数的可靠预测

摩尔体积、密度、热膨胀系数、弹性常数以及热导率等是材料的基本物理性质，针对这些物理性质建立数据库是材料设计基础数据库的重要组成部分。热力学数据库为动力学模拟提供相变驱动力和相平衡数据，同样地, 物理性质数据库可为动力学和组织模拟提供必要的物理参数, 如体积、点阵常数、点阵错配度、弹性能和界面能等基础属性。

众所周知，摩尔体积(或密度)是化学成分、温度和压力的函数，通过构建多元多相体系的体积数据库，可以合理解决化学成分、温度、压力等外界条件与材料性质的相关性问题。Phase Lab基于CALPHAD框架内的体积模型，配套镍基热力学数据库，开发了适用于宽广成分和温度范围的镍基体积数据库，实现了镍基合金多种物性参数的可靠预测。

（一）单组元系物性参数计算    通过评估单组元在不同物相下摩尔体积、密度、点阵常数、线膨胀系数等实验数据，并结合第一性原理等理论计算结果，在CALPHAD框架下，建立单组元在不同物相的摩尔体积数据库。采用Phase Lab软件并结合该数据库，可用于预测单组元摩尔体积、密度、点阵常数以及线膨胀系数等物性参数随温度的变化关系。图1计算了单组元在液相、FCC_A1以及BCC_A2相摩尔体积或密度与实验数据的对比结果。  

图1 单组元FCC_A1相的摩尔体积计算结果(a)Ni；(b)Co；(c)Al； 单组元BCC_A2相的摩尔体积计算结果(a)Mo；(b)Nb；(c)W； 单组元液相的密度计算结果(a)Al；(b)Ta；(c)V       热膨胀系数是表征体积随温度变化的物理量，反映材料的微观结构与性质，影响材料的设计与应用。采用Phase Lab软件并结合摩尔体积数据库，可预测单组元线膨胀系数随温度变化关系。图2计算了FCC_A1结构的Ni和Co元素线膨胀系数随温度的变化关系，并与实验数据对比结果。  

图2 单组元FCC_A1相的线性热膨胀系数计算结果(a)Ni；(b)Co

（二）二元系物性参数计算

通过评估二元系摩尔体积、密度、点阵常数、线膨胀系数等实验数据，在CALPHAD框架下，建立成分-物相-摩尔体积的定量化关系，可用于预测镍基合金密度、晶格常数、线膨胀系数、γ/γ′错配度等衍生物理量。

镍基合金的FCC_A1结构在高温下具有较高的稳定性。通过计算γ相的摩尔体积，可用于合金高温下结构稳定性分析。图3分别计算了Ni-X(X=Mo、Nb、Ti和V)二元系室温下γ相摩尔体积随成分的变化曲线，并与实验数据对比。

图3 二元系FCC相摩尔体积计算(a)Ni-Mo；(b)Ni-Nb；(c)Ni-Ti；(d)Ni-V

采用Phase Lab软件并结合摩尔体积数据库，可预测不同二元系的液相密度，用于合金凝固行为以及铸造模拟中液态合金的流动性研究。图4分别是Ni-Co和Ni-Cr二元系液相摩尔体积或密度随成分和温度的变化曲线，并与实验数据对比。

图4 (a) Ni-Co二元系液相摩尔体积计算值； (b) Ni-Cr二元系液相密度计算值

晶格错配度是描述两种不同晶体在界面上原子排列不匹配程度的重要参数，本质是晶格常数的差异。以Ni-Al二元系为例，γ和γ′(FCC_L12)相具有不同的晶格常数，两者之间的晶格错配度对γ′相的析出以及分布起关键作用, 如较大的晶格错配可能导致γ′相以不连续的方式析出，形成孤立的颗粒或团簇，而较小的晶格错配则可能促进γ′相以连续或均匀的方式析出。采用Phase Lab软件并结合摩尔体积数据库，可预测Ni-Al二元系γ和γ′的晶格常数随成分的变化关系。图5(a)和(b)计算了Ni-Al二元系中γ相和γ′相室温时晶格常数随成分的变化关系，并与实验数据对比，可为γ′相析出行为研究提供可靠的数据支持。

图5 Ni-Al二元系FCC_A1和FCC_L12晶格常数计算值

（三）多元系物性参数计算

在枝晶凝固过程中，熔融状态下合金的摩尔体积、密度是决定收缩程度、传质效率以及宏观偏析现象的核心参数之一。结合Phase Lab软件以及镍基摩尔体积数据库，可建立多组元系成分-物相-温度-摩尔体积-密度的定量化关系，为多组元系合金凝固模拟提供必要的物性参数。图6(a)预测了不同成分下Al-Co-Ni合金液相密度与温度的关系，并与实验数据进行对比；图6(b)是5种典型镍基商业合金液相密度计算值与实验值对比，两者误差在±3%以内，证实摩尔体积数据库预测多组元系摩尔体积以及密度的可靠性。  

图6 (a)Al-Co-Ni三元系不同成分条件下液相密度计算结果

(b)商业合金液相密度计算值与实测值对比结果