[发明专利]一种预定弹性模量Al-Ti-Zr合金材料的制备方法

权利要求书

1.一种预定弹性模量Al-Ti-Zr合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)确定Al-Ti-Zr体系中不同相的点阵模型和热力学模型，通过第一性原理计算出相关端基组元的生成焓值作为输入值，耦合Calphad相图计算方法，再经过迭代计算得到Al-Ti-Zr体系的热力学参数并构建热力学数据库，从而计算出Al-Ti-Zr体系的相图；

(2)利用第一性原理方法计算指定成分的Al-Ti-Zr合金材料的弹性常数矩阵，从而计算出体模量B和剪切模量G_R，再利用经验公式计算得到Al-Ti-Zr合金材料的弹性模量E；

(3)利用真空电弧熔炼实验方法制备指定成分的Al-Ti-Zr合金材料，再对其进行高分辨材料性能表征，得到合金成分、合成温度、相结构和弹性模量的实验数据；

(4)对上述计算结果和实验结果进行相互关联并验证，构建合金成分-合成温度-相组成-弹性模量的对应关系，建立起Al-Ti-Zr合金体系数据库；

(5)根据Al-Ti-Zr合金材料的预定弹性模量，从所述Al-Ti-Zr合金体系数据库中得到其对应参数，最后制得所述Al-Ti-Zr合金材料；

步骤(1)中，利用Calphad相图计算方法优化Al-Ti-Zr体系热力学参数的主要步骤为：

步骤1：收集文献中Al-Ti-Zr体系的热力学实验数据并对其评估；

步骤2：确定Al-Ti-Zr体系点阵模型和热力学模型，通过热力学模型的表达式结合数学拟合来描述吉布斯自由能表达式；

步骤3：利用Calphad热力学优化软件Thermo-Calc的PARROT模块进行优化计算，待优化的相图与实验相图相吻合时，结束优化，得到一组自恰的热力学参数；

步骤4：将吉布斯自由能的参数按照特定格式写进.tdb文件中，完成体系热力学数据库的构建；

步骤5：利用得到的热力学数据库，计算出Al-Ti-Zr体系的相图，得到Al-Ti-Zr体系的相图以及合金成分、温度和相组成的关系；

所述Al-Ti-Zr体系热力学模型具体为：纯元素选用数学拟合模型；固溶相选用亚正规溶体模型，其中过剩吉布斯自由能用R-K多项式拟合表示；化合物相选用亚点阵模型，其中过剩吉布斯自由能用R-K多项式拟合表示；

步骤(2)中，所述第一性原理方法的具体步骤为：

步骤1：在文献中找到Al-Ti-Zr体系的其中一种组成相的理论晶胞参数，代入第一性原理计算软件VASP中进行计算，此时设定计算条件ISIF＝3，对输入晶胞进行全弛豫计算，从计算结果中得到该组成相准确的晶胞参数；

步骤2：将步骤1得到的准确晶胞参数带入到VASP软件中，设定此时的计算条件为ISIF＝0，对输入晶胞进行静态计算，得到所求组成相的基态能量E₀；

步骤3：选取处于富Al端的一种合金成分，使用步骤2中计算得到的晶胞参数构建晶胞，在VASP软件中设置IBRION＝6，ISIF＝3，NFREE＝4，计算选定合金成分的材料6*6的本征弹性常数矩阵C₁₁，C₁₂，C₁₃…C₆₆；

步骤4：对于本发明中选定的体系，将步骤3中计算得到的弹性常数分别带入到以下经典拟合公式中，计算材料的体模量B和剪切模量G_R：

S₁₁+S₁₂＝C₃₃/C

S₁₁-S₁₂＝1/(C₁₁-C₁₂)

S₁₃＝-C₁₃/C

S₃₃＝(C₁₁+C₁₂)/C

S₄₄＝1/C₄₄

S₆₆＝1/C₆₆

G_R＝15/(8S₁₁+4S₃₃-4S₁₂-8S₁₃+6S₄₄+3S₆₆)；

再将计算得到的体模量B和剪切模量G_R带入以下经验公式中，计算杨氏模量E：

E＝9BG_R(3B+G_R)。