基于热力学预测Zr基合金的金属玻璃形成性能的方法
本发明属于zr基合金金属玻璃形成性能的计算领域，具体为一种基于热力学计算预测zr基合金的金属玻璃形成性能特征参量的方法。
背景技术：
1、金属玻璃由于其特殊的结构特征，因而具有良好的物理化学性能，近几年来引起人们的极大关注。目前开发出的大块非晶合金有fe基、zr基、cu基、ni基等非晶体系，在这些体系中zr基非晶具有较强的非晶形成能力、高的强度、高的硬度、高的断裂韧性、高的粘性流动性以及良好的耐腐蚀性等一系列优异的性能，因而具有重要的工程实用价值和科学研究意义。对zr基大块金属玻璃复合材料的制备条件研究，物理化学性能研究及其应用具有重要的的指导价值。
2、通过实验方法研究zr基合金的成分和冷却速度对粘度的影响，不仅耗时耗力，而且难以覆盖整个参数范围。当前calphad方法展现出强大的材料设计能力，相图和粘度计算属于calphad方法范畴。thermo-calc是基于calphad理念开发的相图热力学和扩散动力学计算程序，经过近40年的发展已成为数据齐全、功能强大、结构完整的计算系统，是世界上使用最广泛的热力学和动力学计算软件。本发明将利用热力学相图和热力学粘度的计算方法并结合thermo-calc程序，实现基于热力学预测zr基合金的金属玻璃的形成性能。目前，预测zr基合金的金属玻璃形成性能的主要技术包括分子动力学模拟、玻璃形成能力指标和实验测定等方法。分子动力学模拟可以模拟原子尺度的行为，但需要大量计算资源。玻璃形成能力指标则通过玻璃转变温度等参数进行评估。实验测定包括快速冷却和差热分析等方法。但是，具有缺点如下：
3、1.对于传统的粘度计算模型，计算算法复杂；预测精度与合金实验值之间误差大，无法精准的预测合金的粘度；
4、2.实验条件难以控制，针对实验环境、实验设备要求较高等。
5、3.难以精准预测zr基合金的大块金属玻璃的形成性能
6、因此，亟需一种预测粘度精度高，同时能够精准的预测zr基合金的大块金属玻璃的形成性能的一种新方法；
技术实现思路
1、本发明利用热力学计算zr基合金的准平衡相图并提取各相种类、相成分、对应熔点以及液相的形成温度。通过相成分、液相面温度及纯组元合金黏度和激活能以上参数作为输入进行计算，得到zr基合金不同成分下对应液相温度的粘度值。根据本热力学相图、热力学粘度和数据提取方法，能够预测zr基合金的粘度值，通过计算过冷液态下所有晶相的驱动力，晶相的驱动力显示出两个局部最小值，从而实现zr基合金的形成大块金属玻璃的预测。
2、本发明为达到上述目的所采用的技术流程是：热力学计算→粘度计算→晶相的驱动力计算→晶相的驱动力局部最小值→指定成分下zr基合金的金属玻璃形成性能的预测。
3、热力学计算：将zr基合金成分输入thermo-calc程序中，利用准平衡模式计算得到zr基合金的准平衡相图，并基于准平衡相图的辅助获得液相面对应成分温度等信息。
4、基于zr基合金热力学数据库，利用thermo-calc程序的ternary模块，计算zr基合金液相面，并输出液相面zr基合金各个成分所对应的温度。粘度模型的自构建：粘度计算：将zr基合金成分、对应的液相面温度、纯组元的粘度、吉布斯自由能等参数输入到thermo-calc程序中，构建多元的粘度计算热力学模型。在自构建的热力学粘度计算模型的基础上，通过thermo-calc程序，用calphad方法进行粘度计算，得到一套符合该特定zr基合金的最佳参数，进而得到黏度曲线方程。进而通过计算得到任意温度，任意合金成分下的黏度值。金属玻璃形成性能的预测：利用本发明，能够计算并预测指定zr基合金的准平衡相图并提取各相种类、相成分、对应熔点以及液相的形成温度。根据zr基合金纯组元的参数以及合金成分，可以得到不同合金成分下对应于液相温度的粘度值。达到预测合金黏度值得目的，从而实现zr基合金的形成大块金属玻璃相关性能的预测。本发明中的热力学和动力学计算需要用到如下数据库：热力学液相线计算采用ttzr1热力学数据库和ssol热力学数据库或自构建热力学数据库；粘度计算采用自构建粘度数据库。本发明的特点是：根据热力学计算的zr基合金平衡相图，利用thermo-calc程序提取zr基合金的液相面信息。结合本文所提出的新的粘度曲线模型，再次利用thermo-calc程序进行拟合计算，得到最佳参数，确定对应zr基合金黏度模型。相比以往模型，该模型的参数可调性更大，能够适用于更宽温度范围的黏度预测计算，对zr基合金的粘度预测具有显著优势，可进一步避免或减少繁冗耗时的实验流程。本发明的原理如下：
5、相图液相面数据提取原理。将zr基合金成分输入thermo-calc程序中，利用平衡模式计算得到zr基合金的液相面。zr基合金的液相面投影图反映了不同的zr基合金的成分对应的熔点不同。zr基合金的液相面温度，随成分从1083摄氏度到2300摄氏度范围变动。在整个液相面均匀取300个不同成分的点，利用thermo-calc程序的poly-3计算模块计算不同点对应的熔点，从而提取相图液相面的数据。
6、热力学计算原理。本发明中的热力学计算需要用到ttzr1热力学数据库、ssol热力学数据库或自构建热力学数据库。在热力学数据库中存储着zr基合金体系的吉布斯自由能，thermo-calc程序根据吉布斯自由能最小化原则，计算获得平衡的液相面投影图。
7、粘度计算原理。本发明中的粘度计算需要用新的粘度模型并构建新的粘度数据库。对于多组元的理想溶液，基于redlich-kister(rk)多项式；非理想溶液比理想溶液多出的一项为多组元合金的粘度的过剩相则用基于areniums方程的新的方程来进行描述。通过已知的部分zr基合金的粘度实验值，基于calphad方法得到新模型中的粘度参数，从而进行全成分范围的粘度计算。
8、金属玻璃形成性能的预测原理。将zr基合金成分、液相面温度、粘度参数输入到thermo-calc程序中，获得zr基合金在所有成分下的粘度数据库粘度，进而获得数据大于10m·pa·s所对于的合金组成成分。利用thermo-calc程序，调用不同温度下，计算过冷液态下所有晶相的驱动力，在合金对应于过冷液体的温度范围(600-800℃)内，获得晶相的驱动力显示出两个局部最小值所对应的理想组成成分；结合粘度数据大于10m·pa·s所对于的合金组成成分，取共同区域，从而实现zr基合金的形成大块金属玻璃的预测。
技术特征：
1.一种基于热力学预测zr基合金的金属玻璃形成性能的方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其中热力学液相线计算采用ttzr1热力学数据库、ssol热力学数据库或自构建热力学数据库；粘度计算采用自构建粘度数据库。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中基于各个成分点的黏度计算预测值，当粘度数据大于10m·pa·s时，所对应的合金组成成分制作的金属玻璃性能优良；特别是当zr含量在0.44-0.79范围内，粘度大于10m·pa·s，从而通过粘度数据库获得金属玻璃性能优良的理想组成成分。
4.根据权利要求1所述的基于热力学预测zr基合金的金属玻璃形成性能的方法，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的方法，其中利用该方法能够计算并预测指定zr基合金成分和冷却速度条件下液相面的黏度值；液相面黏度值的大小以及相关热力学数据，结合粘度数据大于10m·pa·s所对应的合金组成成分理想成分和晶相的驱动力显示出两个局部最小值，取共同区域部分，zr含量0.55-0.6，从而完成zr-fe-cu合金金属玻璃形成性能的预测。
技术总结
在Zr基合金金属玻璃形成性能的计算领域，本发明提出基于热力学性质预测合金金属玻璃形成性能的方法。该方法实验成本低，计算速度快，合金粘度预测精度高；本发明利用Thermo‑Calc程序结合热力学数据库和粘度数据库计算Zr基合金液相线并得到对应组元成分和温度，将合金黏度实验数据及合金粘度满足的曲线方程等参量输入Thermo‑Calc程序，根据优化程序和实验数据计算曲线最佳参数进而确定黏度曲线方程，并获取大于10m·Pa·s对应合金组成成分。同时在对应过冷液体的温度范围(600‑800℃)内将所有晶相驱动力计算为Zr含量的函数，并在不同Zr含量的成分线中获得两个局部最小值；二者结合取共同区域，实现Zr基合金金属玻璃性能的预测。
技术研发人员：李茜,左星,顾炅琳,曾银平
受保护的技术使用者：长沙理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23