2-10、铝合金热力学、热物性及工艺数据库

Database on Thermodynamics, Thermophysical Properties

and Process of Aluminum Alloy

杜勇^1*，刘树红¹，郑洲顺²，李波¹

1.中南大学粉末冶金国家重点实验室，湖南长沙，410083，2.中南大学数学与统计学院，湖南长沙，410083

摘要：铝合金因具有高的比强度、比刚度和良好的加工性能、耐腐蚀性能等优点，被广泛应用于轨道交通、航空航天等行业。铝合金工业生产的“工艺-结构-性能”之间是一个非常复杂的关系，单纯依靠实验来进行材料研究耗时费力。集成计算材料工程(Integrated Computational Materials Engineering，ICME)是将计算材料科学的工具集成为一个整体系统的材料开发过程。用于铝合金的集成计算材料工程是将微观(10^-10～10^-8m)、细观(10^-8～10^-4m)、介观(10^-4～10^-2m)和宏观(10^-2～10m)等多尺度计算模拟和关键实验集成到铝合金设计开发的全过程中，通过成分-工艺-结构-性能的集成化，把铝合金的研发由传统经验式提升到以组织演化及其与性能相关性为基础的科学设计上，从而大大加快其研发速度，降低研发成本。铝合金的工业生产涉及复杂的热力学和动力学过程。准确的热力学和动力学计算依赖于精确的热力学和动力学数据库。高精度的热力学数据库是基于合理的热力学模型和精确可靠的相图热力学实验数据。除热力学数据库外，黏度、热导率、体积等是描述铝合金凝固和退火处理等制备过程中组织结构演变的重要热物性参数。因此，高质量热力学、热物性数据库是实现可靠多元多相合金制备过程微观结构演变定量描述的有效途径。本工作通过集成材料高通量制备与表征技术、相图计算方法和第一性原理计算试图建立铝合金热力学和热物性质数据库。在本工作中材料高通量制备与表征技术主要包括扩散多元节、时域热反射技术测试热导率、纳米压痕技术及高通量微区成分、结构表征等。作为材料基因组计划的三大技术要素之一，材料高通量制备与表征技术可以快速高效地获得成分-相-结构-性能的关系，从而加速新材料的开发和研究。该数据库可直接用于铝合金凝固过程的微结构表征，也可与相场模拟、透射电镜、三维原子探针相结合实现多元多相铝合金凝固及时效强化过程微结构演变的定量描述。同时，本工作针对关键部件的实际需求，从集成计算参数输入与场量输出的角度，研究加工过程与微观组织遗传的数据迁移和管理技术，建立了包含热物性参数、工艺参数、模型参数、宏观与微观组织参数、性能参数等在内的材料成形工艺数据库。另外，本工作还基于CALPHAD热力学与动力学数据库及铝合金工艺数据库等，通过机器学习方法对已有的经验数据或实验数据等进行挖掘与学习，给出新的组分和结构“推荐组合”，然后通过DFT进行计算并确定其热力学稳定性，并选取典型合金及关键实验对已建立的物理模型进行验证与优化，以期望实现对相关合金体系在调整成分组成及热处理参数情况下的材料性能进行预测，应用于相关材料的优化与设计。因此，建立拥有自主知识产权的铝合金设计数据库(包括热力学、热物性及工艺数据库等)和材料信息数据库是当务之急，将成为开发新一代铝合金的重要手段和创新知识的重要源泉。

关键词: 铝合金；集成计算材料工程；相图计算；数据库

通讯作者：杜勇，13974962527，yong-du@csu.edu.cn

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.210