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AlV系二元相圖的計算和評估及其活度建筑工程論文
摘要： 利用最新版本的Pandat熱力學計算軟件，采用最新的Ti合金數據庫和合理的熱力學模型，計算出了AlV系二元相圖.研究發現：從相率和相圖的特殊點對其進行了詳細的熱力學評估，最大誤差為1.14%，說明計算相圖與試驗相圖吻合較好;在AlV二元相圖的基礎上，提取了Al和V在不同物質的成分和溫度下的活度;擬合了恒溫下其活度的計算公式，其線性相關度R趨近于1;作出了V的活度成分溫度關系曲線，有效地解決了“試驗測活度難”的問題.
關鍵詞： AlV系; 熱力學模型; 相圖; 評估; 活度
中圖分類號： TG 111.5 文獻標志碼： A
Al和V是鈦合金中常常添加的合金元素[1]，尤其是Al元素，據統計80%以上的鈦合金中都含有Al.Al元素可以擴大α相區，是α相穩定元素.α相中Al的質量分數為5%～7%.當Al當量含量較低時，主要沉淀出α2Ti3Al有序相;當Al當量含量較高時，有γTiAl及其他TiAl化合物形成.在正常使用的含Al鈦合金中以Ti3Al沉淀強化為主.而V元素可以擴大β相區，是β相穩定元素.然而吳歡等[2]研究表明Al對α相的強化作用卻比V低得多.磁性和有色合金中除了鋼鐵合金外，90%以上都含有V元素.當V在鈦合金中的質量分數在4%左右時，其合金易于成形，并且延展性也很好;當V在鈦合金中的質量分數在1%左右時，其合金可以得到強化[2-3].因此，根據對材料性能的需求，我們可以通過控制Al和V元素在鈦合金中的質量分數，獲得所需的α鈦合金、β鈦合金或(α+β)鈦合金等.
把中間合金[4-6]添加到鈦合金中，不僅可以有效地控制所需元素在鈦合金中的最終比例，還可以提高合金成分的均勻性.因此在實際的鈦合金生產中，主要合金成分都是以中間合金的形式添加的.國內的AlV中間合金有AlV50，AlV70和AlV80三種牌號[1]，顏色均為銀灰色.塊狀AlV50的粒度范圍是1～50 mm，AlV70和AlV80的粒度不大于100 mm.由于中間合金的質量會對鈦合金的性能產生直接的影響[7-11]，為了生產出滿足航空領域等所需的最佳性能的鈦合金，首先必須制備純度高和成分均勻的AlV中間合金.
隨著科技的發展，單純依靠試驗的方法研究AlV系合金，已經不能滿足高效、快節奏的人們對其的迫切需求.而現在發展比較成熟的熱力學計算不僅可以加速AlV系合金的研究，還可以省去大量的人力、物力和財力.
本文用熱力學計算軟件Pandat重新計算了AlV二元系相圖，并對其進行了評估.最后在AlV二元相圖的基礎上，提取了Al和V在不同組元的摩爾分數和溫度下的活度.
1 AlV系二元平衡相圖的熱力學計算
完整的AlV系二元平衡相圖實際上是一個由壓力、溫度和成分組成的三維圖形.然而，通常情況下壓力基本是不變的，因此它可以用溫度和成分兩個獨立變量來簡要描述.Murray第一次評估了AlV二元系相圖，但其還有許多地方不能夠確定[12].例如在富V區，受高溫熔化的影響，一方面很難獲得固相平衡，另一方面很難準確地測量出固相線和液相線溫度.利用pandat2016提供的最新鈦合金數據庫和二元相圖計算模塊，重新計算了AlV二元合金體系下的合金成分分布及相組成等.
1.1 AlV系的熱力學模型
不同的相會有不同的結構，且是相互獨立的.為了計算出準確的平衡相圖，不同類型的相需要采用不同的熱力學模型.
1.2 AlV系平衡相圖的熱力學計算
利用Pandat軟件計算了如圖1所示的的AlV二元平衡相圖.從圖1中可以看出，AlV系合金二元平衡相圖中存在Liquid(L)，Fcc(Al)，Bcc(V)和五種金屬間化合物Al21V2，Al45V7，Al23V4，Al3V和Al8V5.單晶一方面對原子在相中的排列順序起了決定性作用，另一方面可以在一定程度上指導復雜相的形成，因此對單晶進行分類具有重要的意義.Al21V2、Al3V和Al8V5晶格圖片如圖2所示.
AlV二元合金體系中的相平衡線把相圖劃分為14個相區.相圖上所標出的相區標號所對應的相區成分如表1所示.
2 AlV系二元平衡相圖的評估
2.1 相律的評估
相律描述了平衡物系中的自由度數、相數和獨立組分數之間的關系，是研究相平衡的基本規律，其計算公式為：
對AlV二元系，C=2，F=3-P，最多平衡共存相數為3.從圖1可以看出，AlV二元系最多有3個平衡共存相，符合相律.
2.2 特殊點的評估
通過查閱了大量文獻，并結合自身的工作，找到了AlV二元相圖特殊點的試驗數據.利用試驗數據和計算數據做成了表2和圖3.
從表2和圖3中可看出，計算值與試驗值的最大偏差絕對值為7.825 ℃，最小偏差絕對值為0.003 ℃;相對誤差最大值為1.137 435%，相對誤差最小值為0.000 45%.相對誤差均小于允許誤差5%，可見通過Pandat計算出的AlV二元相圖和試驗相圖吻合得較好.
3 Al和V活度的提取
從20世紀40年代時開始，就有很多科學家采用多種試驗技術測定了一些基本渣系的活度，但并沒達到預期效果.三元系爐渣活度的測定更為困難[17]，甚至連對一些常用渣系的活度圖都存在一定的爭議.因此熔渣體系活度用試驗的方法測定特別困難，更別說所有體系的活度了，而試驗相圖的測定比活度測定容易且目前相圖試驗數據較為完善.此外，與通過模型來計算熱力學量相比，其無需擬合參數.所以從相圖中提取活度具有一定的意義和價值[18].
在不引入任何參數的情況下，從AlV二元相圖能夠方便地提取液相線溫度對應Al和V組元的活度.如表3所示，當溫度為1 873，1 973，2 000，2 073，2 100，2 173，2 200和2 273 ℃時，從AlV二元相圖中提取了Al和V組元在0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9和1.0成分下的活度.在成分一定的情況下，Al或V組元的活度隨著對應的溫度增大而增大;在溫度一定的情況下，Al或V組元的活度隨著對應組元的摩爾百分比增大而增大.當Al和V組元的摩爾百分比接近1∶1時，其對應的活度相等.
分別對Al和V組元的摩爾成分和活度的擬合，得出如圖4和圖5所示的曲線.其擬合的線性相關度R接近于1.R2可以反映擬合結果的好壞，越接近1，說明擬合結果越好.從圖4和圖5可以發現，Al和V組元的摩爾成分和活度曲線滿足式(5).對應的系數A，B和C的值見表4和表5.
從表3可以看出，活度實際上還受溫度的影響.如果把活度看成是摩爾分數和溫度的函數，根據表3的數據得出活度隨著摩爾分數和溫度變化關系的曲面，如圖6所示.此外，通過理論計算而不是通過直接的試驗，就可以有效地預測三元或多元的熱力學數據[19-26].
4 結 論
利用最新版本的Pandat軟件，采用最新的鈦合金數據庫，對數據較為充分的AlV二元相圖進行了計算和評估.并從中提取了Al和V不同摩爾分數和溫度下的活度.得到如下結論：
(1) 詳細描述了AlV二元相圖中各相的熱力學計算模型.
(2) 利用Ti合金數據庫和熱力學模型并遵循相圖計算流程對AlV二元相圖進行了計算.
(3) 利用試驗數據對用Pandat軟件計算的AlV二元相圖的特殊點(如熔點、包晶點等)進行了評估，相對誤差均小于5%，說明了計算相圖與試驗相圖吻合得比較好.
(4) 從AlV二元相圖中提取了Al和V組元的活度，并找到了分別計算活度隨著摩爾百分比和溫度變化的公式，其線性相關度趨近于1.說明公式與數據匹配得非常好，有效地解決了“試驗測活度難”的問題.
(5)由盡量少的試驗數據點得到溫度、組成區域盡量多的信息.且可由AlV二元外推到AlErV，AlNdV，AlGdV，AlHoV和AlSiV等三元體系和多組分體系，預計體系的一些不易測定的性質，如活度等.
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作者：史忠兵 馬鳳倉 王飛 劉平 劉新寬 李偉
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