[发明专利]一种预定弹性模量Al-Ti-Zr合金材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种预定弹性Al‑Ti‑Zr合金材料的制备方法，属于材料研究方法及技术领域。该方法综合利用Calphad相图计算、第一性原理计算和真空电弧熔炼实验，通过建立Al‑Ti‑Zr体系的“原子排布‑合金成分‑合成温度‑相结构‑弹性模量”大数据库，可以快速获得目标弹性的Al‑Ti‑Zr合金的合金成分、合成温度及相组成信息，直接用于指导预定弹性的Al‑Ti‑Zr合金的制备。与传统材料设计方法相比，该方法的针对性和目的性更强，在建立起Al‑Ti‑Zr合金的大数据库之后，可以反复利用该数据库指导不同目标弹性的Al‑Ti‑Zr合金的制备，极大的节省了人力物力成本。

技术领域

本发明属于材料研究方法及技术领域，具体涉及一种预定弹性模量Al-Ti-Zr合金材料的制备方法。

背景技术

Al-Ti合金密度低、耐热性好,具有高的比强度、比刚度,以及高的抗高温蠕变性能和抗氧化性能,因而成为超高音速飞行器和下一代先进航空发动机的首选材料，而影响Al-Ti合金应用的最大障碍是室温下缺乏足够的延性。为了克服上述不足，很多学者对Al-Ti合金添加第三种合金元素进行了研究，添加合金元素是改变合金组织与性能常用而最有效的方法，其中，Zr元素的添加可提高Al-Ti合金的高温耐久性和耐腐蚀性，Zr的加入也提高了延展性，从而提高了Al-Ti基合金在室温下的加工性能。

第一性原理计算(First-Principles calculations)是基于密度泛函理论的一种理论分析方法，它只采用了5个基本物理常数：m₀、e、h、c、k_b而不依赖任何经验参数即可合理的预测微观体系的状态和性质。密度泛函理论(DFT，Density Functional Theory)的关键之处是将电子密度分布，不再作为电子波函数分布，而是作为试探函数，将总能E表示为电子密度的泛函。第一性原理的计算方法是它的基本原理是通过赝势法求解密度泛函理论的Kohn-Sham方程：F[ρ]＝Φ|T+V|Φ，得到多电子系统的总能和电荷密度空间分布。

真空电弧熔炼炉是冶金熔炼设备的一种，其原理是由炉顶通入的电极和炉底水冷结晶器通电引弧后，产生电弧，借电弧热量使金属或合金熔化，并在结晶器内凝固。进行电弧熔炼的一般步骤为：1)按照指定的合金成分准备相应质量的Al，Ti，Zr纯元素样品；2)把样品放在电弧熔炼炉的槽内，开始熔炼，单次熔炼时间不超过90s；3)适当的翻转样品，反复熔炼6次左右，保证熔炼均匀。

现有技术中，常盲目的设定参数来制备预定弹性的Al-Ti-Zr合金，这样不仅很难制备出所需的合金材料，还会浪费大量的人力物力，为了解决这一问题，本发明提供了一种新型的预定弹性的Al-Ti-Zr合金的材料设计方法，可以实现精准的控制Al-Ti-Zr合金的合金成分以获得目标弹性性能的Al-Ti-Zr合金。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种针对性更强的预定弹性Al-Ti-Zr合金材料的制备方法，通过建立Al-Ti-Zr合金体系的大数据库，可以根据预定弹性参数快速获得制备Al-Ti-Zr合金的其他参数，该方法节省了大量的人力物力成本，大大提高了制备预定弹性Al-Ti-Zr合金的效率。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

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；