CN111326220A - 一种高强韧锆钛基合金的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高强韧锆钛基合金的设计方法。所述方法包括：确定锆钛基合金中的各合金元素的含量要求；确定锆钛基合金的相的原子结构模型以及锆、钛和其它合金原子在相原子结构模型中的占位，并利用第一性原理计算得到在相的原子结构模型中各合金原子的有效价电子数和结合能；绘制现有锆钛基合金的平均有效价电子数关于平均结合能的图，并在图上确定现有锆钛基合金的相所对应的区域，在区域中选择能够满足设计要求相的锆钛基合金并得到其平均有效价电子数和平均结合能；基于锆钛基合金中的各合金元素的含量要求、有效价电子数和结合能及平均有效价电子数和平均结合能得到各合金元素的含量。本发明能够得到满足预期要求的锆钛基合金。

Description

一种高强韧锆钛基合金的设计方法
技术领域
发明的示例性实施例涉及一种合金的设计方法。更具体地，示例性实施例涉及一种利用第一性原理来设计高强韧锆钛基合金的方法。
背景技术
现有的材料设计方法可以保证所设计的合金能够具有优良的强度、高的抗疲劳强度或良好的韧性等性能，但这些方法大多属于经验性、半经验性或设计-试错性质，缺少必要的物理学基础，很大程度上依赖于材料设计者的直觉和经验。因此，大多数的材料设计方法往往需要进行大面积的筛选，带有偶然性和盲目性，必然会造成材料设计过程中人力、物力和时间的浪费。
金属锆和钛具有高硬度、高熔点和耐腐蚀性等特点，已成为航空航天、生物医用和核工程等领域的首选材料，其新合金设计和开发也备受材料设计工作者的关注。目前合金设计工作者大多是集中在以锆或钛为基体的合金设计上，还没有一种有效的锆钛为基体的合金设计方法。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种有效的锆钛基合金的设计方法。
本发明提供了一种高强韧锆钛基合金的设计方法。所述方法包括：根据第一性原理的设计模型，确定锆钛基合金中的各合金元素的含量要求；确定锆钛基合金的相的原子结构模型以及锆钛基合金中的锆、钛和合金元素在相的原子结构模型中的占位，并利用第一性原理计算得到在相的原子结构模型中锆钛基合金中的各合金元素的有效价电子数和结合能；绘制现有锆钛基合金的平均有效价电子数关于平均结合能的图，并在图上确定现有锆钛基合金的相所对应的区域，在区域中选择能够满足设计要求的相的锆钛基合金并得到锆钛基合金的平均有效价电子数和平均结合能；基于锆钛基合金中的各合金元素的含量要求、锆钛基合金的平均有效价电子数和平均结合能以及锆钛基合金中的各合金元素的有效价电子数和结合能得到锆钛基合金中的各合金元素的含量。
可选择地，可以利用下式(1)和式(2)得到锆钛基合金中的各合金元素的含量：
式(1)：
Figure BDA0002453426110000021
式(2)：
Figure BDA0002453426110000022
在式(1)和式(2)中，ci为锆钛基合金中的第i合金元素的原子百分比，EVEi为第i合金元素的有效价电子数，ECi分别为第i合金元素的原子结合能，
Figure BDA0002453426110000023
为锆钛基合金的平均有效价电子数，
Figure BDA0002453426110000024
为锆钛基合金的平均结合能。
可选择地，锆钛基合金中的各合金元素的含量要求可以为：锆和钛原子的原子百分比均大于25％，其它合金元素的原子百分比总计不超过50％。
可选择地，锆钛基合金的相的原子结构模型可以为α相原子结构模型或者β相原子结构模型。
可选择地，所述方法还可以包括：按照得到的锆钛基合金中的各合金元素的含量进行熔炼，并对所得的锆钛基合金进行材料检测，以验证锆钛基合金的相是否满足设计要求。
可选择地，所述方法还可以包括将锆钛基合金用作现有锆钛基合金绘制图。
可选择地，锆钛基合金的抗拉强度≥1000MPa，韧性塑性应变率≥10％。
本发明提供了一种高强韧锆钛基合金的设计方法，其设计周期短，并且能够达到预期的合金设计要求。
附图说明
附图示出了发明构思的示例性实施例，并与说明一起用于解释发明构思的原理，附图被包括以提供对发明构思的进一步的理解，并且附图并入该说明书中并组成该说明书的一部分。
图1(a)、图1(b)和图1(c)分别是α相锆钛基合金的原子结构模型。
图2(a)、图2(b)和图2(c)分别是β相锆钛基合金的原子结构模型。
图3是根据现有锆钛基合金的平均有效价电子数关于平均结合能的图。
图4示出了根据本发明示例性实施例的合金设计方法设计的合金A、B、C和D的XRD分析实验结果。
图5(a)、图5(b)、图5(c)、图5(d)分别示出了根据本发明示例性实施例的合金设计方法设计的合金A、B、C和D的金相(OM)分析结果。
图6(a)、图6(b)、图6(c)、图6(d)分别示出了根据本发明示例性实施例的合金设计方法设计的合金A、B、C和D的透射电镜(TEM)的结果。
图7(a)、图7(b)、图7(c)、图7(d)分别示出了根据本发明示例性实施例的合金设计方法的设计的合金A、B、C和D的透射衍射斑分析结果。
具体实施方式
在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述根据本发明的锆钛基合金的设计方法。
发明人创造性地提出将以物理学为基础的第一性原理应用于具有复杂组元的合金材料设计。具体地，本发明主要通过第一性原理设计高强韧锆钛基合金，将第一性原理与锆钛基合金设计相结合，特别是提出了合金设计中的两个重要参数(即，有效价电子数(effective valence electron)、结合能(coherent energy)，解决了第一性原理应用于锆钛基等二元基合金设计的难题，拓展了第一性原理在材料设计中的应用空间。此技术可按合金使用力学性能要求，确定合金中相组成，从而确定合金成分，为锆钛基合金的设计提供有效的技术支撑，缩短锆钛基合金的设计周期。
根据本发明的实施例的锆钛基合金的设计方法包括以下步骤：
(A)、确定合金成分的要求。
在以Zr和Ti作为基体建立模型时，假设将合金元素M置于中心位置，也就是说，少量的合金原子被锆、钛基体原子包围，少量的合金原子M的周围都是基体原子。另外，由于锆钛基合金中的Zr和Ti无限固溶的特性，因此在根据第一性原理的设计模型中假设Zr与Ti同时均匀分布相同的位置。例如，在图1(a)、图1(b)和图1(c)中所示的β相(体心立方结构)原子结构中，Zr与Ti分别位于(0，0，0)位置(即，立方体的八个角所在的位置)，而合金原子(即，合金元素)M(M＝Zr、Ti、Al和V)占据(0.5，0.5，0.5)位置。根据建立模型的条件，合金的成分也有一定的要求。如Zr-Ti基合金中Zr包括四个占据(0，0，0)原子位置的Zr以及合金原子M中的Zr，即，Zr-Ti基合金中Zr的原子百分比＝4×1/8+合金原子M中的Zr的原子百分比＝25％+合金原子M中的锆的原子百分比，因此，Zr-Ti基合金中Zr元素的原子百分比需大于25％，同样地，Zr-Ti基合金中Ti元素的原子百分比需大于25％，而其它合金元素总计不超过50％。也就是说，为保证计算的准确性，需要满足要求：锆钛基合金中锆、钛元素含量(原子百分比)均大于25％；其它合金元素总计不超过50％，即在设计的合金中Zr，Ti为基体元素，Al和V作为合金添加元素，这也合金设计的要求相一致。但本发明不限于此，除了可以采用β相模型之外，还可以采用诸如α相的其它相模型来确定。例如，在另一实施例中，如图2(a)、图2(b)和图2(c)中所示的α相(体心立方结构)，Zr与Ti分别位于(0，0，0)位置(即，立方体的八个角所在的位置)，合金原子M(M＝Zr、Ti、Al和V)占据(0.33，0.67，0.5)。
(B)确定锆钛基合金的相的原子结构模型以及锆钛基合金中的锆、钛和合金原子在所述相的原子结构模型中的占位，并利用第一性原理计算得到在所述相的原子结构模型中锆钛基合金中的各合金原子的有效价电子数和结合能。
首先，按照基体原子Zr和Ti在模型中均匀分布的原则，确定相同的Zr和Ti可能在β相模型与α相模型分别按照三种原子排布排布，即，在β相模型中可以分别按照图1(a)的(001)面、图1(b)的(110)面、图1(c)的(111)面排布。
然后，通过第一性原理计算比较β相模型中三种原子排布方式对应的结合能和形成能，计算结果见表1。由于结合能和形成能越低，说明结构越稳定，通过比较可知下表1中β相模型中的(001)面和对应的结合能和形成能最低，因此，确定在β相模型中Zr和Ti原子按照(001)面排布。
这里，所述第一原理计算可以现有技术中基于密度函数理论框架下使用CASTEP(剑桥系列总能量包)代码完成。选择超短赝势来描述电子与离子的相互作用。用Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)方案中的一般梯度近似(GGA)来描述该方案的交换项和相关项。收敛测试后将截断能设置为400eV。在布里渊区，k点采用Monkhorst-Pack方法设置BCC结构为21×21×21，HCP结构为21×21×27。直至每原子残余力小于
Figure BDA0002453426110000041
最大能量小于5.0×10-6eV/原子，晶体最大应力小于0.02GPa，原子最大放置位置小于
Figure BDA0002453426110000042
才能得到稳定结构。
表1β相和α相模型中的结合能和形成能计算结果,eV优化模型
Figure BDA0002453426110000051
通过第一性原理计算β相模型中的(001)面中各元素(原子)对应的有效价电子数(EVEi)和结合能(ECi)，其中，EVEi和ECi表示第i元素的有效价电子数和平均结合能，i可以为自然数，例如，在本实施例中，i可以为1、2、3和4，例如，第1元素可以为Zr，第2元素可以为Ti，第3元素可以为Al以及第4元素可以为V。这里，术语“第i元素”仅用于区分4个元素，而不代表元素的顺序，例如，第1元素也可以为Ti，第2元素也可以为Zr，第3元素也可以为V以及第4元素也可以为Al。Zr、Ti、Al和V原子在β相中的有效价电子数(EVE)和结合能(EC)的计算结果如下表2中所示。
表2β相与α相模型中原子对应的有效价电子数和结合能的计算结果
Figure BDA0002453426110000052
以上，以β相模型为例描述了获得锆钛基合金中各元素所对应的有效价电子数和结合能的确定过程。但本发明不限于此，例如，在另一实施例中，当在α相模型中计算时，基体原子Zr和Ti在α相模型中可以分别按照图2(a)的(0001)面、图2(b)的
Figure BDA0002453426110000066
面和图2(c)的
Figure BDA0002453426110000067
面排布，通过第一性原理计算比较α相模型中三种原子排布方式对应的结合能和形成能，如上表1中所示，通过比较可知α相模型中的(0001)面对应的结合能和形成能最低，因此，确定在α相模型中Zr和Ti原子按照(0001)面进行排布。最后，通过第一性原理计算α相模型中的(0001)面中元素(原子)Zr、Ti、Al和V对应的有效价电子数(EVEi)和结合能(ECi)，计算结果如上表2中所示。
(C)绘制现有锆钛基合金的平均有效价电子数关于平均结合能的图。
通过查询现有文献来确定不同锆钛基合金的相对应的两个参数数值(即，有效价电子数和结合能)，并且绘制不同合金成分的平均有效价电子数
Figure BDA0002453426110000061
关于平均结合能
Figure BDA0002453426110000062
的图，并且在基于平均有效价电子数
Figure BDA0002453426110000063
-平均结合能
Figure BDA0002453426110000064
的二维坐标系中确定相区，即，确定不同的相(例如，α相、β相和α+β相)所对应的区域，为后续合金设计提供参考依据。例如，如图3中所示，根据关于ZrTiAlV系合金的以下参考文献绘制出不同合金成分在固溶条件下的合金中的相对应的
Figure BDA0002453426110000065
图。但本发明不限于此，参考文献的数量可以根据需要选择，并且随着设计合金不断增多，可以不断地优化锆钛基合金的不同相区。另外，需要说明的是，在本申请中，α+β相是指的α相和β相的过渡相区，其中包括马氏体相(α"+α相)，这里，α"+α相是指，α"相和α相的过渡相区。
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(D)在能够满足设计要求(例如，杨氏模量要求)的相区内选择相应的合金的相组成并且确定该合金的平均有效价电子数
Figure BDA0002453426110000081
和平均结合能
Figure BDA0002453426110000082
例如，为了设计3种β相合金和1种马氏体相合金，在图3上选择编号分别为A、B、C和D的4种合金作为设计的合金，其中，在β相区选择合金A、合金B和合金C，在α+β相区选择合金D。由图3可以确定合金A、B、C和D各自的平均有效价电子数
Figure BDA0002453426110000083
和平均结合能
Figure BDA0002453426110000084
(E)确定合金的设计成分
利用上述步骤(D)确定的合金A、B、C和D各自的平均有效价电子数
Figure BDA0002453426110000085
和平均结合能
Figure BDA0002453426110000086
步骤(A)中的合金成分的要求“锆钛基合金中锆、钛元素含量(原子百分比) 均大于25％；其它合金元素总计不超过50％”、步骤(B)中计算得到的各原子对应的有效价电子数和结合能的计算结果，并根据下面的式(1)和式(2)确定锆钛基合金A、B、C和D中各元素(即，Zr、Ti、Al和V)的含量(即，原子百分比)，从而确定了合金A、B、C和D的成分。
Figure BDA0002453426110000087
Figure BDA0002453426110000088
在式(1)和式(2)中，ci为第i原子的原子百分比(成分含量)，EVEi和ECi分别为第i原子的有效价电子数和结合能。
(F)实验验证
为验证根据本发明示例性实施例的合金设计方法的准确性，按照步骤(E)确定的设计合金成分进行熔炼，然后对所设计合金进行加工处理后，通过取样、制样等工序后，通过金相、DSC、XRD和TEM等表征手段对材料进行表征。
图4示出了根据本发明示例性实施例的合金设计方法的设计的合金A、B、C和D的XRD分析实验结果。如图4中所示，通过XRD(X射线衍射)对所得合金进行物相分析，可以看出合金A，B和C都是由β相组成，而合金D由马氏体相(α"+α相)组成，这与设计合金的相一致。
图5(a)、图5(b)、图5(c)、图5(d)分别示出了根据本发明示例性实施例的合金设计方法的设计的合金A、B、C和D的金相(OM)分析结果。图6(a)、图6(b)、图6(c)、图6(d)分别示出了根据本发明示例性实施例的合金设计方法的设计的合金A、B、C和D的透射电镜(TEM)的结果。图7(a)、图7(b)、图7(c)、图7(d)分别示出了根据本发明示例性实施例的合金设计方法的设计的合金A、B、C和D的透射衍射斑分析结果。从图5(a)至图5(d)中的金相(OM)分析结果来看，合金A，B和C主要表现为粗大等轴的β相形貌，而合金D表现为针状的马氏体相形貌，与合金设计相一致。透射电镜(TEM)实验结果与OM结果一致。根据图6(a)至图6(d)，通过TEM中选取衍射斑点的标定可以知道，合金A，B和C都是由β相组成，而合金D由马氏体相(α"+α相)组成。实验结果证明，按照本发明的合金设计方法可以得到所需要的相的合金，例如β相合金和α+β相合金。从图7(a)至图7(d)中的透射衍射斑分析结果来看，在合金A，B和C内只有β相，而在合金D由马氏体相(α"+α相)组成。
本发明基于第一性原理计算设计锆钛基合金，给出了两个参数：有效价电子数和结合能。再基于这两个参数建立二维坐标中建立不同合金成分对应的相区。通过实验比对，根据本发明的合金设计方法所设计的合金与设计合金相区划分一致，可用于高强韧锆钛基合金的设计和开发，这里，高强韧锆钛基合金的抗拉强度≥1000MPa，韧性塑性应变率≥10％，但本发明不限于，还可用于其它锆钛基合金的设计和开发。
虽然已经在这里描述了特定示例性实施例和实施方式，但是其它的实施例和修改将通过该描述而明显。因此，发明构思不限于这样的示例性实施例，而是限于所提出的权利要求以及各种明显修改和等同设置的更宽范围。

Claims (8)

1.一种高强韧锆钛基合金的设计方法，其特征在于，所述方法包括：
根据第一性原理的设计模型，确定高强韧锆钛基合金中的各合金元素的含量要求；
确定高强韧锆钛基合金的α相和β相的原子结构模型以及锆钛基合金中的锆、钛和合金原子在所述α相和β相的原子结构模型中的占位，并利用第一性原理计算得到在所述α相和β相的原子结构模型中高强韧锆钛基合金中的各合金元素的有效价电子数和结合能；
绘制高强韧锆钛基合金的平均有效价电子数关于平均结合能的图，并在所述图上确定所述高强韧锆钛基合金的相所对应的区域，在所述区域中选择能够满足设计要求的相的高强韧锆钛基合金并得到所述高强韧锆钛基合金的平均有效价电子数和平均结合能；
基于所述高强韧锆钛基合金中的各合金元素的含量要求、所述高强韧锆钛基合金的平均有效价电子数和平均结合能以及所述高强韧锆钛基合金中的各合金元素的有效价电子数和结合能得到所述高强韧锆钛基合金中的各合金元素的含量。
2.根据权利要求1所述的高强韧锆钛基合金的设计方法，其特征在于，利用下式(1)和式(2)得到所述高强韧锆钛基合金中的各合金元素的含量：
Figure FDA0002453426100000011
Figure FDA0002453426100000012
在式(1)和式(2)中，ci为所述高强韧锆钛基合金中的第i合金元素的原子百分比，EVEi为第i合金元素的有效价电子数，ECi分别为第i合金元素的原子结合能，i为自然数，
Figure FDA0002453426100000013
为所述高强韧锆钛基合金的所述平均有效价电子数，
Figure FDA0002453426100000014
为所述高强韧锆钛基合金的所述平均结合能。
3.根据权利要求1所述的高强韧锆钛基合金的设计方法，其特征在于，所述高强韧锆钛基合金中的各合金元素的含量要求为：锆和钛原子的原子百分比均大于25％，其它合金元素的原子百分比总计不超过50％。
4.根据权利要求1所述的高强韧锆钛基合金的设计方法，其特征在于，所述高强韧锆钛基合金的所述相的原子结构模型为α相原子结构模型或者β相原子结构模型。
5.根据权利要求1所述的高强韧锆钛基合金的设计方法，其特征在于，所述方法还包括：
按照所述得到的高强韧锆钛基合金中的各合金元素的含量进行熔炼，并对所得的高强韧锆钛基合金进行材料检测，以验证所述高强韧锆钛基合金的相是否满足设计要求。
6.根据权利要求1所述的高强韧锆钛基合金的设计方法，其特征在于，所述方法还包括将所述高强韧锆钛基合金用作现有高强韧锆钛基合金来绘制所述图。
7.根据权利要求1所述的高强韧锆钛基合金的设计方法，其特征在于，所述高强韧锆钛基合金的合金元素包括Zr、Ti、Al和V。
8.根据权利要求1所述的高强韧锆钛基合金的设计方法，其特征在于，所述高强韧锆钛基合金的抗拉强度≥1000MPa，韧性塑性应变率≥10％。
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