[发明专利]一种预测3D打印多主元合金相稳定性及相分数的方法

说明书

本发明公开了一种预测3D打印多主元合金相稳定性及相分数的方法，其通过获取多主元合金的晶胞体积‑能量曲线，根据晶胞体积‑能量曲线，求解不同组分平衡态的物理参数，计算混合焓、熵、凝固驱动力，耦合焓、熵以及凝固驱动力对混合摩尔吉布斯自由能的影响，建立非平衡快速凝固下相的稳定性预测模型；根据模型对激光增材制造不同过冷度多主元合金相的稳定性进行预测，利用公切线原理和杠杆法则计算多主元合金在不同温度下各种相的分数。本发明通过获取3D打印多主元合金的相稳定性及相分数，进而对相的晶体结构和力学性能进行调控，开发出适用于激光增材制造的多主元合金。同时，基于预测的非平衡凝固组织，可对3D打印成形工艺进行调控。

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种预测3D打印多主元合金相稳定性及相分数的方法。

背景技术

多主元合金原材料成本低，具有高强高塑、高温热稳定、抗磨损等优异性质，在核能领域的抗辐照材料、航空航天的耐高温材料、装甲车防护装甲材料等方面具有重要的应用前景。

在激光选区熔化(简称SLM)增材制造过程中，冷却速度和温度梯度非常高，多主元合金在凝固时极易偏离平衡态，形成亚稳相。由于多主元合金至少由四种主元以等原子或非等原子成分组成，可用于调控相的成分空间相当广泛，若采用“试错法”寻找SLM成形多主元合金的理想成分将耗费大量时间。

目前已有大量的经验准则用于预测多主元合金的相形成规律。然而，经验准则对合金成分十分敏感，只能定性地预测相的形成规律，无法定量预测多主元合金的相分数。而现有的相稳定性理论预测模型是基于平衡或近平衡凝固条件下提出的，并不适用于预测非平衡快速凝固条件下多主元合金的相分数。针对SLM非平衡快速凝固条件下多主元合金的相稳定性及相分数预测方法在国内外尚无公开报道。

材料的成形性和力学性能取决于它们的显微组织。因此，亟需开发一种可预测3D打印多主元合金相稳定性及相分数的方法，量化非平衡快速凝固条件下多主元合金的成分-晶体结构之间的关系。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种预测3D打印多主元合金相稳定性及相分数的方法，以解决现有技术中存在的一个或多个技术问题。

为实现上述发明目的，本发明提出技术方案是：一种预测3D打印多主元合金相稳定性及相分数的方法，包括以下步骤：

(1)获得不同多主元合金的晶胞体积-能量曲线；

(2)根据步骤(1)所得的晶胞体积-能量曲线，求解不同组分的平衡态的物理参数；

(3)计算混合焓、熵、凝固驱动力；

(4)耦合焓、熵以及凝固驱动力对混合摩尔吉布斯自由能的影响，建立非平衡快速凝固下相的稳定性预测模型，根据模型对激光增材制造不同过冷度多主元合金相的稳定性进行预测。

优选地，上述步骤(1)的具体过程为：采用精确Muffin-Tin轨道-相干势近似方法计算0K时自洽电子结构以及不同体积对应的晶体结构总能量，通过迭代使得计算收敛，获得多主元合金的晶胞体积-能量曲线。

优选地，上述步骤(2)中，求解平衡态物理参数的具体过程为：利用三阶Birch-Murnaghan状态方程拟合不同合金成分的晶胞体积-能量曲线，获得不同组分的平衡态体积、能量及体模量，利用无序局部矩确定不同成分的合金在平衡体积下的非零局部磁矩。

优选地，上述步骤(3)中，所述混合焓、熵中包括的组态熵、磁熵、振动熵、凝固驱动力的计算分别如公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)、公式(5)所示：

式中，c_i和c_j分别表示第i和第j个元素的原子百分比，n表示主元个数。表示二元合金的混合焓；