基于CALPHAD方法電工合金微結構設計研究進展

梁雪峰，黃召闊，丁 一，丁 雪

（1.國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100160；2.北京科技大學 新材料技術研究院，北京 100083；3.先進輸電技術國家重點實驗室（全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司），北京 102209；4.北京新材料和新能源科技發(fā)展中心，北京 100080）

引言

近幾十年間，計算機輔助材料設計越來越成為高效研發(fā)新材料的重要趨勢，CALPHAD方法是目前世界上公認成熟的材料設計方法[1]。通過利用Gibbs自由能的建模以及相平衡計算的方法，將兩者相對獨立的相圖實驗和熱力學測定有機結合，同時加入一定的計算手段，利用Gibbs自由能最小的原理計算出體系達到熱力學平衡時的各種熱力學參數(shù)，從而預測在該環(huán)境下不同溫度的多元體系的各種相規(guī)律，為后續(xù)合金成分的設定、合金的制備與處理等提供了強有力的理論支撐，節(jié)省各種資源[2,3]。

1 CALPHAD發(fā)展歷程

Van Laar[4,5]在20世紀初就已經(jīng)提出相圖計算理論，通過對不同二元合金相圖的分析，得出了相圖中組成相的熱力學穩(wěn)定與典型形態(tài)之間的內(nèi)在聯(lián)系。Meijering[6‐9]將這一工作擴展到三元及更高元合金體系。正是因為熱力學計算十分繁瑣，同時因大環(huán)境下計算機技術發(fā)展相對緩慢，直到20世紀70年代Kaufman和Bernstein[10]提出了CALPHAD技術，這時將傳統(tǒng)相圖和熱力學計算耦合起來，推動了相圖計算領域的發(fā)展。CALPHAD技術，是一種可以將原始相圖和熱力學信息相結合的一種現(xiàn)代技術。并可以計算出多元合金體系的構成及演變過程等。新材料的研發(fā)，很大程度上依賴于CALPHAD技術在多元熱力學數(shù)據(jù)庫的應用和開發(fā)。

2 CALPHAD研究方法

（1）熱力學模擬

CALPHAD技術利用熱力學的相關知識，通過建立相關模型來分析不同體系成分中的相關性質(zhì)。并結合模擬實驗將數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，進而搭建起多元體系材料的數(shù)據(jù)庫。除此之外，通過利用CALPH‐AD技術和相關理論知識，將傳統(tǒng)的相圖信息和熱力學參數(shù)結合起來，為后續(xù)對材料性能的進一步研究奠定了夯實的理論基礎。

（2）擴散動力學模擬

基于Fick第一和第二定律以及Onsagert提出的多元擴散描述的DICTRA（diffusion‐controlled trans‐formations）[11]方法，模擬多組元合金的由擴散控制的相變動力學過程。該方法利用數(shù)值算法來推演相圖中具體的擴散過程，進而得到在擴散區(qū)中各處成分等隨著時間變化的規(guī)律，并根據(jù)不斷的數(shù)據(jù)迭代以完善相界面移動的規(guī)律。但DICTRA模擬在相對復雜的環(huán)境下預測不是十分準確。目前該模擬主要應用于凝固過程模擬、均勻化熱處理、鋼中碳化物的生長和溶解過程等情況。

（3）第二相的形核析出模擬

在一定的環(huán)境下，過飽和固溶體的第二相離子形核析出也是擴散控制的動力學模擬，與前者一樣，兩者均是基于陡直接面和局部平衡提出的假設。根據(jù)Kampmann‐Wagner數(shù)值模擬方法（KWN）[12]可知，正是由于其不同尺寸的粒子生長速率不同，可以利用KWN方法跟蹤粒子的生長過程，從而進一步模擬整個體系的析出過程。結合相關知識，KWN模擬方法可以模擬第二相析出物在形核、長大和粗化的過程中，析出物隨著時間的變化，在內(nèi)部尺寸大小、析出物分布、以及形核率等方面的變化。

3 基于CALPHAD方法電工合金微結構設計

在鎂合金的設計應用方面，Shaul Avraham[13]等將CALPHAD方法完美地應用到其中。因為鎂合金中的γ‐Mg17Al12相的大量存在會嚴重損害材料蠕變性能，計算結果中顯示降低合金中的鋁元素可以有效減少該不連續(xù)的相生成，從而設計出具有更好蠕變性能的鎂鋁合金。除此之外，通過分析相分數(shù)隨著時間變化而變化的規(guī)律，確定了相對簡單的溫度區(qū)域，對合金成分的進一步處理提供了依據(jù)。

張赫[14]等利用CALPHAD方法以及Thermo‐Calc軟件對壓力容器進行了析出相的數(shù)據(jù)測試，同時分析了當材料中C、Mn、Cr合金元素發(fā)生變化時，相應的析出相的含量變化情況，從熱力學角度進行相變分析和成分優(yōu)化，為進一步優(yōu)化壓力容器用鋼的化學成分提供參考。

李俊濤[15]等通過高溫合金的設計思路和熱力學平衡的相關理論知識，得到不同合金的平衡相的種類、液固相線溫度、初熔溫度、強化相含量等參數(shù)。分析計算結果，可以初步判斷合金的力學性能和初熔溫度以及平衡態(tài)下的有害相的含量，通過比對三種合金成分的性能，最終制備出具有優(yōu)良性能的定向凝固合金。Paul[16]等利用Thermo‐Calc軟件發(fā)現(xiàn)在鎳基高溫合金中，Si、Mn、Mo、Al等元素不同程度的偏析。為緩解這些元素的偏析程度，實驗人員通過對計算結果進行了優(yōu)化，選取了合金的初始溫度1142℃。為避免均勻化溫度過高造成合金熔化，結合計算結果選擇1100℃作為均勻化工藝溫度。動力學計算表明，當均勻化處理時間延長至80 ks，合金中難熔元素Mo的偏析程度較處理前得到大幅改善，但依舊存在。通過進一步的實驗，發(fā)現(xiàn)合金在1100℃再處理10 ks后，化學成分偏析得到一定程度的改善，初熔溫度升高到1200℃以上。若將原始工藝更改為兩步均勻化工藝，即：1100℃10 ks+1200℃30 ks,70 ks，Mo的顯微偏析基本消除。

Rojhrunsakool[17]和 Chen[18]等對 Ni‐Al‐Cr體系進行了研究，Chen等人利用TC‐PRISMA軟件對Ni‐8Al‐8Cr合金和 Ni‐10Al‐10Cr合金分別進行了模擬，該計算準確地模擬出 Ni‐Al‐Cr體系中γ′相的粒度分布規(guī)律。

4 結論

對于材料研發(fā)和工藝參數(shù)優(yōu)化來說，掌握材料體系的熱動力學信息并基于CALPHAD方法進行計算模擬是一種高效的方式，在新材料和產(chǎn)品的設計和開發(fā)方面已經(jīng)被擴展為一個整體的集成計算材料工程（ICME）框架，并成為了實現(xiàn)ICME的過程中，最重要也是唯一的通用工具。隨著電工合金材料熱動力學數(shù)據(jù)庫的不斷完善和計算機技術的快速發(fā)展，運用CALPHAD設計材料成分以及優(yōu)化制備加工工藝成為可能，未來將會利用該技術，對鈦合金、高溫合金等不同體系，做進一步的拓展研究。