高性能鋁合金的研發(fā)和應(yīng)用是我國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃以及國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的重要支持方向。7xxx系鋁合金，核心成分包括Al、Zn(占比5%-8%)、Mg（占比0.5%-2.5%）和Cu(占比1%-2%)，添加微量Ti和Zr元素可增強(qiáng)合金的焊接性，引入微量的Sc元素可對合金晶粒進(jìn)行細(xì)化。7xxx系鋁合金具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、良好的塑性、焊接性以及低溫性能等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、高速列車、汽車制造和高端電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，是追求高性能和輕量化的重要材料。

以7xxx系鋁合金的開發(fā)和應(yīng)用為導(dǎo)向，基于CALPHAD方法，Phase Lab最新上線7元鋁合金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(Al-Cu-Mg-Zn-Sc-Ti-Zr)，可用于構(gòu)建熱力學(xué)平衡條件下鋁合金成分與物相組成的定量化關(guān)系。當(dāng)前用戶可在鴻之微云平臺點(diǎn)擊試用。（網(wǎng)址：https://cloud.hzwtech.com/web/personal-space/online-tool/online-phase-lab)

圖1 Phase Lab鋁基合金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫首頁

Al基熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫基本信息

01

①元素組成

數(shù)據(jù)庫包含Al、Cu、Mg、Sc、Ti、Zn和Zr，共7種元素。

②二元系組成

數(shù)據(jù)庫包含7種元素涉及的21個二元系。

③三元系及高組元體系

數(shù)據(jù)庫當(dāng)前已優(yōu)化17個核心三元系和Al-Cu-Mg-Zn四元系的相平衡關(guān)系，體系名稱如下表。

④相組成

數(shù)據(jù)庫共包含93個物相。各相具體的模型信息，可通過點(diǎn)擊Phase Lab的“各項(xiàng)熱物性”計(jì)算功能并選中所有7種元素進(jìn)行查看，其結(jié)果展示頁面如下所示。

圖2 Phase Lab鋁基合金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫物相模型信息查看頁面

基于Phase Lab進(jìn)行7xxx系鋁合金熱力學(xué)計(jì)算

02

當(dāng)前鋁合金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫以21個二元系和17個三元系熱力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)，并優(yōu)化Al-Cu-Mg-Zn四元系相平衡實(shí)驗(yàn)信息，其二元、三元以及四元系相平衡計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具備良好的一致性，外推的高組元系相平衡關(guān)系合理性得到檢驗(yàn)?；跀?shù)據(jù)庫和Phase Lab豐富的熱力學(xué)計(jì)算功能，可以滿足7xxx系鋁合金熱力學(xué)平衡計(jì)算的基礎(chǔ)需求。

Al-Mg-Zn體系是7xxx系鋁合金的核心三元系之一，Mg與Zn形成的η相(MgZn2)以及三元化合物T相(Al2Mg3Zn3)可以顯著提升合金的強(qiáng)度和硬度，同時適量Mg的加入可以提高合金的韌性和抗應(yīng)力腐蝕性，而Zn過量可能會影響合金的抗腐蝕能力。如圖3所示，采用Phase Lab軟件并結(jié)合鋁基熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，可計(jì)算不同合金元素含量條件下體系的相圖，輔助元素配比和物相的精確調(diào)控，促進(jìn)合金的性能優(yōu)化。

圖3 不同成分下Al-Mg-Zn三元系垂直截面計(jì)算相圖

(a) x(Mg)=0.36; (b) x(Zn)=0.2

Al-Cu-Mg-Zn四元系是7xxx系鋁合金的主要組成部分，其中存在多種析出強(qiáng)化相，對合金的性能有重要影響，如θ相(Al2Cu)、η相(MgZn2)、T相(Al2Mg3Zn3)以及S相(Al2CuMg)等。如圖4所示，基于Phase Lab軟件和鋁基熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相圖計(jì)算，對于Al-Cu-Mg-Zn系合金的成分設(shè)計(jì)與組織調(diào)控具有重要指導(dǎo)作用。

圖4 不同元素含量下Al-Cu-Mg-Zn四元系733K等溫截面計(jì)算相圖

(a) w(Zn)=0.04; (b) w(Zn)=0.06;

(c) w(Zn)=0.08; (d) w(Al)=0.9

Sc和Zr是7xxx系鋁合金中重要的微量添加元素，利用計(jì)算熱力學(xué)方法來探究微量元素添加對合金在平衡狀態(tài)下物相構(gòu)成的影響，已成為當(dāng)前合金材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域一種切實(shí)可行且高效的研究手段。如圖5所示，采用Phase Lab軟件并結(jié)合鋁基熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，可以實(shí)現(xiàn)多組分體系的復(fù)雜熱力學(xué)平衡計(jì)算，精確獲取體系合金成分-物相組成-溫度的定量化關(guān)系，為合金成分設(shè)計(jì)與組織/性能調(diào)控提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

圖5 多組分鋁合金體系垂直截面計(jì)算相圖

(a)Al-8Zn-Mg-2Cu-0.3Sc(wt.%);

(b)Al-8Zn-Mg-2Cu-0.3Sc-0.3Zr(wt.%)