多元线性化合物的扩散系数矩阵、扩散生长的相场模型及其在铝合金微结构定量表征中的应用

Quantitative description of the microstructure evolution during materials preparation process is one of the core scientific problems in material science. The phase-field simulation coupled with key experimental verification is one effective approach to realize the quantitative description of the microstructure evolution. For the important multicomponent line compounds in industrial alloys, there has been still a lack of the phase-field model for describing their diffusion growth as well as the scientific approach for establishing their diffusivity matrix. The present proposal intends to choose the Al-Mg-Si alloys as the target, and the following researches are to be performed: (1) Development of "average thermodynamic factor" for multicomponent line compounds, and establishment of the diffusivity matrix for all the stable/metastable phases during aging process in Al alloy by integrating the diffusion couple experiment, atomistic simulation and phenomenological diffusion model; (2) Development of a phase-field model for reasonably describing the growth of the multicomponent line compounds; (3) Quantitative phase-field simulation of the microstructure evolution in Al-Mg-Si alloys during aging process by coupling the phase-field method and key experiments. It is highly expected that the completion of this project will provide a general phase-field model for description of microstructure evolution in multicomponent alloys with line compounds, and realize the quantitative description of microstructure evolution in Al-Mg-Si alloys during aging process, resulting in critical step forward for quantitative description of microstructure evolution during material preparation.

材料制备过程中微观结构演变的定量描述是材料学核心科学问题之一。基于关键实验的相场模拟是对微结构演变进行定量描述一种行之有效的方法。对于工业合金中重要的多元线性化合物，迄今仍缺乏描述其扩散生长的相场模型及扩散系数矩阵建立的科学方法。本项目拟以Al-Mg-Si合金为研究对象开展如下研究：（1）构建多元线性化合物的"平均热力学因子"，并集成扩散偶实验、原子尺度模拟及唯象扩散模拟获得Al-Mg-Si合金时效过程所含稳定/亚稳相的扩散系数矩阵；（2）建立能合理描述多元线性化合物生长的相场模型；（3）结合关键实验对Al-Mg-Si合金时效过程微结构演变进行定量相场模拟。项目的完成可望为含线性化合物的多元合金微结构演变提供可采纳的相场模型，并实现对Al-Mg-Si合金时效过程微结构演变的定量描述，使材料制备过程微结构演变定量描述前进关键的一步。

材料制备过程中微观结构演变的定量描述是材料学核心科学问题之一。基于精准热力学、扩散动力学数据库和关键实验验证的相场模拟是对微结构演变进行定量描述一种行之有效的方法。对于工业合金中重要的多元线性化合物，迄今仍缺乏描述其扩散生长的相场模型及扩散系数矩阵建立的科学方法。本项目以Al-Mg-Si基合金为研究对象，完成了以下内容：（1）构建了多元线性化合物的"平均热力学因子"，并集成扩散偶实验、原子尺度模拟及唯象扩散模拟获得Al-Mg-Si合金所有稳定/亚稳相的扩散系数矩阵；（2）建立能合理描述多元线性化合物生长的相场模型，并耦合精准热力学、扩散动力学数据库对Al-Mg-Si合金时效过程微结构演变进行定量相场模拟；（3）发展了增强型数值回归方法，自主开发了多元合金互扩散系数高通量计算软件HitDIC，与多元扩散节技术结合实现了多元合金互扩散系数矩阵的高通量测定；（4）耦合相场模型与精准的热力学、扩散动力学数据库实现了Al-Si和Al-Mg-Si基商用合金凝固过程微结构演变的定量模拟；（5）构筑了含稀土Al-Si-Mg合金精准的热、动力学数据库，实现了含稀土Al-Si-Mg铸造合金的高效设计，并揭示了稀土元素对Al-Si-Mg系铸造合金的强韧化机制。项目的完成为含线性化合物的多元合金微结构演变提供可采纳的相场模型，实现了对Al-Mg-Si基合金凝固和时效过程微结构演变的定量描述，建立了多元合金制备过程中微观结构演变定量描述的科学方法，为高性能铝合金的高效设计打下了坚实的基础。项目执行期内在SCI源刊物上发表标注项目资助论文43篇，其中第一资助20篇。主办3次国际/国内会议，参加国际国内会议69人次，其中Keynote/特邀报告13人次、口头报告37人次。毕业博士生4人、硕士生7人，与国外高校联合培养研究生4人次。研究生获国家奖/国际奖学金3人次。项目负责人获国际刊物CALPHAD年度最佳论文奖，入选湖南省“湖湘青年英才”计划，获聘2种国际SCI/ESCI刊物编委及中国材料研究学会计算材料学分会副秘书长。