成果名称: Mo-Zr-Nb-Re包壳材料相图热力学研究及其微观组织预测
完成单位: 东莞材料基因高等理工研究院
主要人员: 王瑶
介绍:

    1.课题背景和来源: 传统锆合金包壳材料在高温与水蒸气作用下,发生放热反应,易引发爆炸,造成生命财产损失,亟需开发更安全的包壳材料来替代。钼合金是新型包壳材料候选材料之一,在钼中添加锆、铌和铼可实现包壳材料性能强度或抗腐蚀性能等某一性能的优化,但需要合理控制加入量才能实现性能的提升。相图提供了材料成分设计和热处理工艺制定时所需的基本数据,因此,获得上述相关体系的相图对钼基包壳材料的开发和设计是非常重要的。目前研究多数是以钼合金单一性能的优化为研究目标来选择元素,且仅考虑单一合金元素的添加,然而工业上应用的金属材料多半是由两种以上的组元构成的多元合金。在Mo中共同添加Zr、Nb和Re元素,有望同时达到力学性能、抗腐蚀和抗辐照性能的提升。本项目基于CALPHAD方法构建的热力学数据库可应用在钼基合金成分设计的阶段,从理论上预测不同成分和温度条件下材料的相组成,减低材料研发成本,加速材料开发。项目经费预算10万元,在“包干制”前提下,严格按照广东省科技经费使用范围和有关规定使用,并完成了经费决算。

    2.研究目的、意义: 项目预期目标是通过耦合关键实验和相图计算(CALPHAD)方法开展多元合金热力学稳定性和相变的研究,获得各稳定相的吉布斯自由能表达式,建立可靠的钼基四元合金热力学数据库,实现材料成分-组织之间影响关系的定量预测。项目中先后完成了Zr-Re二元相图的实验测定与优化,各三元系的热力学优化工作,结合文献报道的其他子二元系的热力学参数,基于CALPHAD方法最终实现Mo-Zr-Nb-Re多元热力学数据库的构建,探讨了合金元素Re对拓扑密堆相(TCP)稳定性的影响。

    3.论点、论据:(1)Mo-Zr-Re和Zr-Nb-Re体系相图热力学的实验研究 本项目结合平衡合金和扩散偶制备技术、扫描电镜(SEM)和电子探针(EPMA)、X射线衍射仪(XRD)和差示扫描量热法(DSC)等实验手段对文献中尚未系统研究的2个三元系(Mo-Zr-Re和Zr-Nb-Re)开展关键实验研究,获得关键温度的等温截面和垂直截面相平衡关系图,为构建热力学数据库提供实验基础。 (2)Mo-Zr-Nb-Re体系相图热力学的计算研究 进行热力学计算和第一性原理计算来完成Mo-Zr-Nb-Re热力学数据库的构建。基于上一步的实验数据,结合文献评估,模型筛选,相图优化等步骤分别获得Mo-Zr-Re和Zr-Nb-Re子三元系的热力学参数,其中采用第一性原理计算化合物的形成焓;然后结合文献中报道的Mo-Zr-Nb和Mo-Nb-Re体系热力学参数,从边际二元系和三元系外推进而建立该四元系的热力学描述,为预测合金微观组织做准备。 (3)Mo合金包壳材料的微观组织预测 在构建的Mo-Zr-Nb-Re数据库的基础上,计算一些成分合金的相变序列和相结构,获得拓扑密堆相的稳定区域范围,预测添加元素及温度对合金微观组织的影响机制。

    4.创新性:首次采用CALPHAD方法、第一性原理计算和关键实验相结合的研究方法,通过构建精准的Mo-Zr-NbRe体系的热力学数据库,系统研究Zr、Nb和Re等添加元素和热处理温度对钼合金相结构和微观组织的影响,特别关注拓扑密堆相的种类、分布、形貌和含量等,建立Mo-Zr-Nb-Re合金中拓扑密堆相的稳定区域。

    5.社会经济效益:目前对钼合金包壳材料的合金化研究主要是通过实验方法来开展,其工作量巨大且非常盲目和耗时,如何科学开展钼基合金化成分设计是包壳材料研究方向之一。基于相图和热力学计算的材料设计的主要依据是相图数据以及热力学数据库。因此,高通量实验测定Mo-Zr-Nb-Re体系的相平衡以及建立可靠的热力学数据库,描述体系中固溶体相以及拓扑密堆相等关键化合物。定量建立成分组织的影响关系,指导研究者通过成分和工艺设计来调控材料组织和性能,对下一代包壳材料合金的设计和开发就显得尤为重要。

批准登记号:
登记日期: 2022-11-07
研究起止时间: 2020-01-01至2021-12-31
所属行业: 科学研究和技术服务业
所属高新技术类别:
评价单位名称: 广东省科学技术厅
评价日期: 2022-08-24