AlV系二元相图的计算和评估及其活度建筑工程论文

摘要： 利用最新版本的Pandat热力学计算软件，采用最新的Ti合金数据库和合理的热力学模型，计算出了AlV系二元相图.研究发现：从相率和相图的特殊点对其进行了详细的热力学评估，最大误差为1.14%，说明计算相图与试验相图吻合较好;在AlV二元相图的基础上，提取了Al和V在不同物质的成分和温度下的活度;拟合了恒温下其活度的计算公式，其线性相关度R趋近于1;作出了V的活度成分温度关系曲线，有效地解决了“试验测活度难”的问题.

关键词： AlV系; 热力学模型; 相图; 评估; 活度

中图分类号： TG 111.5 文献标志码： A

Al和V是钛合金中常常添加的合金元素[1]，尤其是Al元素，据统计80%以上的钛合金中都含有元素可以扩大α相区，是α相稳定元素.α相中Al的质量分数为5%～7%.当Al当量含量较低时，主要沉淀出α2Ti3Al有序相;当Al当量含量较高时，有γTiAl及其他TiAl化合物形成.在正常使用的含Al钛合金中以Ti3Al沉淀强化为主.而V元素可以扩大β相区，是β相稳定元素.然而吴欢等[2]研究表明Al对α相的强化作用却比V低得多.磁性和有色合金中除了钢铁合金外，90%以上都含有V元素.当V在钛合金中的质量分数在4%左右时，其合金易于成形，并且延展性也很好;当V在钛合金中的质量分数在1%左右时，其合金可以得到强化[2-3].因此，根据对材料性能的需求，我们可以通过控制Al和V元素在钛合金中的质量分数，获得所需的α钛合金、β钛合金或(α+β)钛合金等.

把中间合金[4-6]添加到钛合金中，不仅可以有效地控制所需元素在钛合金中的最终比例，还可以提高合金成分的均匀性.因此在实际的钛合金生产中，主要合金成分都是以中间合金的形式添加的.国内的AlV中间合金有AlV50，AlV70和AlV80三种牌号[1]，颜色均为银灰色.块状AlV50的粒度范围是1～50 mm，AlV70和AlV80的粒度不大于100 mm.由于中间合金的质量会对钛合金的性能产生直接的影响[7-11]，为了生产出满足航空领域等所需的最佳性能的钛合金，首先必须制备纯度高和成分均匀的AlV中间合金.

随着科技的发展，单纯依靠试验的方法研究AlV系合金，已经不能满足高效、快节奏的人们对其的迫切需求.而现在发展比较成熟的热力学计算不仅可以加速AlV系合金的研究，还可以省去大量的人力、物力和财力.

本文用热力学计算软件Pandat重新计算了AlV二元系相图，并对其进行了评估.最后在AlV二元相图的基础上，提取了Al和V在不同组元的摩尔分数和温度下的活度.

1 AlV系二元平衡相图的热力学计算

完整的AlV系二元平衡相图实际上是一个由压力、温度和成分组成的三维图形.然而，通常情况下压力基本是不变的，因此它可以用温度和成分两个独立变量来简要描述ay第一次评估了AlV二元系相图，但其还有许多地方不能够确定[12].例如在富V区，受高温熔化的影响，一方面很难获得固相平衡，另一方面很难准确地测量出固相线和液相线温度.利用pandat2016提供的最新钛合金数据库和二元相图计算模块，重新计算了AlV二元合金体系下的合金成分分布及相组成等.

1.1 AlV系的热力学模型

不同的相会有不同的结构，且是相互独立的.为了计算出准确的平衡相图，不同类型的相需要采用不同的热力学模型.

1.2 AlV系平衡相图的热力学计算

利用Pandat软件计算了如图1所示的的AlV二元平衡相图.从图1中可以看出，AlV系合金二元平衡相图中存在Liquid(L)，Fcc(Al)，Bcc(V)和五种金属间化合物Al21V2，Al45V7，Al23V4，Al3V和Al8V5.?尉б环矫娑栽?釉谙嘀械呐帕兴承蚱鹆司龆ㄐ宰饔茫?硪环矫婵梢栽谝欢ǔ潭壬现傅几丛酉嗟男纬桑?虼硕缘ゾЫ?蟹掷嗑哂兄匾?囊庖?Al21V2、Al3V和Al8V5晶格图片如图2所示.

AlV二元合金体系中的相平衡线把相图划分为14个相区.相图上所标出的相区标号所对应的相区成分如表1所示.

2 AlV系二元平衡相图的评估

2.1 相律的评估

相律描述了平衡物系中的自由度数、相数和独立组分数之间的关系，是研究相平衡的基本规律，其计算公式为：

对AlV二元系，C=2，F=3-P，最多平衡共存相数为3.从图1可以看出，AlV二元系最多有3个平衡共存相，符合相律.

2.2 特殊点的评估

通过查阅了大量文献，并结合自身的工作，找到了AlV二元相图特殊点的试验数据.利用试验数据和计算数据做成了表2和图3.

从表2和图3中可看出，计算值与试验值的最大偏差绝对值为7.825 ℃，最小偏差绝对值为0.003 ℃;相对误差最大值为1.137 435%，相对误差最小值为0.000 45%.相对误差均小于允许误差5%，可见通过Pandat计算出的AlV二元相图和试验相图吻合得较好.

3 Al和V活度的提取

从20世纪40年代时开始，就有很多科学家采用多种试验技术测定了一些基本渣系的活度，但并没达到预期效果.三元系炉渣活度的测定更为困难[17]，甚至连对一些常用渣系的活度图都存在一定的争议.因此熔渣体系活度用试验的方法测定特别困难，更别说所有体系的活度了，而试验相图的测定比活度测定容易且目前相图试验数据较为完善.此外，与通过模型来计算热力学量相比，其无需拟合参数.所以从相图中提取活度具有一定的意义和价值[18].

在不引入任何参数的情况下，从AlV二元相图能够方便地提取液相线温度对应Al和V组元的活度.如表3所示，当温度为1 873，1 973，2 000，2 073，2 100，2 173，2 200和2 273 ℃时，从AlV二元相图中提取了Al和V组元在0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9和1.0成分下的活度.在成分一定的情况下，Al或V组元的活度随着对应的温度增大而增大;在温度一定的情况下，Al或V组元的活度随着对应组元的摩尔百分比增大而增大.当Al和V组元的摩尔百分比接近1∶1时，其对应的活度相等.

分别对Al和V组元的摩尔成分和活度的拟合，得出如图4和图5所示的曲线.其拟合的线性相关度R接近于1.R2可以反映拟合结果的'好坏，越接近1，说明拟合结果越好.从图4和图5可以发现，Al和V组元的摩尔成分和活度曲线满足式(5).对应的系数A，B和C的值见表4和表5.

从表3可以看出，活度实际上还受温度的影响.如果把活度看成是摩尔分数和温度的函数，根据表3的数据得出活度随着摩尔分数和温度变化关系的曲面，如图6所示.此外，通过理论计算而不是通过直接的试验，就可以有效地预测三元或多元的热力学数据[19-26].

4 结 论

利用最新版本的Pandat软件，采用最新的钛合金数据库，对数据较为充分的AlV二元相图进行了计算和评估.并从中提取了Al和V不同摩尔分数和温度下的活度.得到如下结论：

(1) 详细描述了AlV二元相图中各相的热力学计算模型.

(2) 利用Ti合金数据库和热力学模型并遵循相图计算流程对AlV二元相图进行了?算.

(3) 利用试验数据对用Pandat软件计算的AlV二元相图的特殊点(如熔点、包晶点等)进行了评估，相对误差均小于5%，说明了计算相图与试验相图吻合得比较好.

(4) 从AlV二元相图中提取了Al和V组元的活度，并找到了分别计算活度随着摩尔百分比和温度变化的公式，其线性相关度趋近于1.说明公式与数据匹配得非常好，有效地解决了“试验测活度难”的问题.

(5)由尽量少的试验数据点得到温度、组成区域尽量多的信息.且可由AlV二元外推到AlErV，AlNdV，AlGdV，AlHoV和AlSiV等三元体系和多组分体系，预计体系的一些不易测定的性质，如活度等.

参考文献：

[1] 高敬.钛合金用AlV中间合金的生产研究概况[J].钢铁钒钛，2001，22(1)：69-71.

[2] 吴欢，赵永庆，葛鹏，等.β稳定元素对钛合金α相强化行为的影响[J].稀有金属材料与工程，2012，41(5)：805-810.

[3] BEL’SKAYA E A，KULYAMINA E uence of aluminum and vanadium alloying elements on the resistivity of titanium[J] Temperature，2014，52(2)：192-197.

[4] 钟海燕，袁孚胜B中间合金生产方法及发展趋势[J].有色金属材料与工程，2016，37(5)：243-246.

[5] 高敬700钛合金在体育器械上得到快速应用[J].中国材料进展，2001(9)：14.

[6] ZHAN Y Z，YANG Z L，MO H e equilibria of the AlVRE(RE=Gd，Ho) systems at 773 K(500 ℃)[J]llurgical and Materials Transactions A，2012，43(1)：29-36.

[7] RAGHAVAN V(AluminumNiobiumVanadium)[J]nal of Phase Equilibria and Diffusion，2009，30(3)：276.

[8] RAGHAVAN V(AluminumSiliconVanadium)[J]nal of Phase Equilibria and Diffusion，2013，32(1)：68-71.

[9] YIN F C，ZHENG S，WANG X M，et al.450 ℃ isothermal section of the AlVZn system[J]nal of Phase Equilibria and Diffusion，2012，33(3)：167-175.

[10] RAGHAVAN V(AluminumErbiumVanadium)[J]nal of Phase Equilibria and Diffusion，2011，32(1)：54.

[11] RAGHAVAN V(AluminumGadoliniumVanadium)[J]nal of Phase Equilibria and Diffusion，2012，33(1)：62-63.

[12] LINDAHL B，LIU X L，LIU Z K，et al.A thermodynamic reassessment of AlV toward an assessment of the ternary AlTiV system[J]hadcomputer Coupling of Phase Diagrams & Thermochemistry，2015，51：75-88.

[13] BAILEY D M，CARLSON O N，SMITH J aluminiumrich end of the aluminiumvanadium system[J]sactions of the American Society for Metals，1959，51：1097-1102.

[14] EREMENKO V N，NATANZON Y N，TITOV V P￥tics of dissolution of Vanadium in liquid Aluminum(Translation)[J]ian Metallurgy，1981(5)：34-37.

[15] ROSTOKER W，YAMAMOTO A.A survey of vanadium binary systems[J]sactions of the American Society for Metals，1954，46：1136-1167.

[16] CARLSON O N，KENNEY D J，WILHELM H AluminumVanadium alloys system[J]sactions of the American Society for Metals，1955，47：1-20.

[17] ??＃?斩??由二元合金相图提取活度方法的系统验证[J].昆明理工大学学报(自然科学版)，2011，36(4).

[18] 应希.由二元相图提取活度研究[D].昆明：昆明理工大学，2011.

[19] 郑莎V三元系相平衡的研究[D].湘潭：湘潭大学，2012.

[20] RAGHAVAN V(AluminumHolmiumVanadium)[J]nal of Phase Equilibria and Diffusion，2012，33(1)：64-65.

[21] LU X G，NA G，QIU A T，et modynamic modeling of the AlTiV ternary system[J]llurgical and Materials Transactions A，2014，45(9)：4155-4164.

[22] RAGHAVAN V(AluminumNeodymiumVanadium)[J]nal of Phase Equilibria and Diffusion，2011，32(3)：249-250.

[23] ZHANG C，ZHU J，YANG Y，et rimental investigation and thermodynamic reassessment of the Irrich zone in the AlIr system[J]pta Materialia，2008，59(4)：403-406.

[24] RAGHAVAN V(AluminumTitaniumVanadium)[J]nal of Phase Equilibria and Diffusion，2012，33(2)：276-279.

[25] BEAVER W W，PAINE R M，STONEHOUSE A ered intermetallic bodies composed of aluminum and niobium or tantalum[J]pean Journal of Biochemistry，1966，230(2)：705-712.

[26] RAGHAVAN VZr(AluminumTitaniumVanadiumZirconium)[J]nal of Phase Equilibria and Diffusion，2005，26(6)：639-640.

作者：史忠兵 马凤仓 王飞 刘平 刘新宽 李伟