基于调幅分解与有序化的Fe-24Al-X三元合金纳米组织设计与控制

The nanometer microstructures of alloy is a effective method to improve material property, but the traditional alloy nanomererization have some problems.For example, the grain nanomererization of strong deformation resutls in worse microsructure stablity and lower homogenous ductility deformation ability; the usual nanometer precipitation also have the microstructure defect of inhomogenous microstructrue and grain boundary of precipitate free zone. The effective method to solve above problems is the alloy microstrure nanomererization based on microstructure characterizaiton of alloy homogenous transformation, especially,the microstructure of spinodal decomposition and ordering coexistence have better microstructure stability in recent years. According to the intrinsic brittleness problem of Fe-Al alloy, the effect of alloy elements(C、Si、Ge、Sn、Pb、Li、Be、Cr、Mo、W、La、Ac) on Fe-Al alloy property is investigated by the first principle method, and the alloy system is designed. The Fe-24Al-X ternay alloy microscopic phase field kinetic model coupling inhomogenous elastic energy is builded,and the phase transformation kinetic process of different alloy systems is simulated. The spinodal decomposition and ordering coexistence phase transformation microscopic mehcanism and coexistence condition are determined, and the heat treatment technology is designed. According to homogenous transformation nanomererization microstructure design and control based on coexistence phase transformation kinetic, the new Fe-24Al-X matrix ternay nano-alloys are prepared and characterized.

合金组织纳米化是提高材料性能的有效手段，但传统的合金纳米化方法存在一些问题，如剧烈形变晶粒纳米化组织稳定性较差且均匀塑性变形能力大幅降低，而通常的纳米析出相又存在组织不均匀性且易产生晶界无析出区等组织缺陷。基于合金匀相转变组织均匀的特点来实现合金组织纳米化是解决上述问题的有效途径，尤其是近年来发现的调幅分解与有序化共存组织稳定性更好。针对Fe-Al合金本征脆性的问题，利用第一性原理计算的方法研究合金元素（C、Si、Ge、Sn、Pb、Li、Be、Cr、Mo、W、La、Ac）对Fe-Al合金性能的影响规律，进行合金体系设计。建立Fe-24Al-X三元合金耦合非均匀弹性能的微观相场动力学模型，模拟合金匀相转变的动力学过程，揭示合金调幅分解与有序化共存相变的微观机制和共存条件，设计其热处理工艺。基于共存相变动力学实现匀相转变纳米化组织的设计和控制，制备和表征新型的Fe-24Al-X 三元纳米合金。

金属间化合物合金由于优良的高温性能成为近些年的研究热点，在新能源、医疗、航空和航天等领域广泛应用，众多研究者都致力于新型金属间化合物合金的制备、组织性能表征及其强韧化机理的研究。本项目通过第一性原理计算、相场动力学模拟和实验相结合的方法对其强韧化机理进行了研究，取得如下结果：利用第一性原理方法计算了Fe24-xAl8C8Mnx 合金的结构和力学性能，确定了合金元素Mn对Fe3AlC金属间化合物的影响规律；研究了V合金化效应对TiFe2相的结构、弹性和电子性能的影响，结果证实了合金元素V 提高TiFe2的塑性的因素是由于Ti和V之间的共价键的削弱；利用基于密度泛函理论的第一性原理计算并结合德拜模型的方法研究了Fe2CrX(X=Al, Ga)和CoFeZrZ(Ge, Sb and Si)合金的结构，磁性，弹性，声子和热力学性能；在研究二元、三元金属间化合物的结构与性能的研究基础上，探索FeAlCrNiTi 和FeAlCrNiTiX (X = V, Mn, Co, Nb 和 Mo)多元单相固溶体的结构和弹性性能，确定当混合焓较大时可以获得各向同性的多元单元固溶体；在第一性原理计算的基础上，基于耦合长程弹性交互作用能的三元微观相场动力学模型，模拟了合金匀相转变的动力学过程，揭示了合金调幅分解与有序化共存的微观机理；基于连续相场动力学的方法模拟了Fe-Al-Cr-Ni-Ti多元合金的凝固组织形成、长大和粗化的动力学过程和微观机理。通过非自耗真空熔炼的方法分别制备了Fe-24Al、Fe-24Al-Cr、Fe-24Al-Hf、Fe-24Al-Mo、Fe-24Al-V和Fe-24Al-Mn等合金，研究了合金元素对Fe-24Al合金组织和力学性能的影响规律。通过理论计算和实验研究相结合可以揭示Fe-Al-X合金的强韧化机理，为开发和设计新型低密度高性能合金提供基础研究数据。