铝合金的热物性参数及其对凝固和均匀化过程中组织结构模拟的影响

Accurate thermo-physical properties are necessary inputs for quantitative description of microstructure evolution of materials, which determines materials' properties. However, a systematic method for obtaining accurate thermo-physical properties in multi-component multi-phase alloys is missing. Specifically, the absence of important thermo-physical parameters such as volume, thermal conductivity and viscosity, restricts the progress in simulation of microstructure evolution of aluminum alloys during solidification and homogenization. The present research project focuses on the following aspects in 6XXX (Al-Mg-Si-Cu) and 7XXX (Al-Zn-Mg-Cu) alloys: 1) development of the model, which describes the evolution of volume, thermal conductivity and viscosity versus composition and temperature; 2) establishment of a scientific method coupling key experiments, calculations of phase diagrams and first-principles calculations to obtain the evolution of these parameters against composition and temperature, and 3) direct coupling of thermo-physical parameters with the established phase field model and completing the quantitative description of microstructure evolution of multi-component multi-phase Al alloys during solidification and homogenization. It is expected that the completion of this project can present the research community with a new approach for obtaining thermo-physical properties of multi-component multi-phase materials, expand the application fields of the CALPHAD method and increase the precision of microstructural description in aluminum alloys.

材料的性能很大程度上取决于其微观结构，而准确的热物性质是对微观结构演变进行定量描述的必备条件。当前国际上缺乏获得多元多相合金精准热物性质的系统科学方法。体积、热导率和粘度是描述铝合金凝固和均匀化退火等热处理过程中组织结构演变的重要热物性参数，这些参数的缺乏使微观结构演变模拟受到很大限制。本项目拟以铝合金中6XXX(Al-Mg-Si-Cu)和7XXX(Al-Zn-Mg-Cu)为研究对象，开展以下研究：1)发展和完善描述多元多相铝合金的粘度、热导率和体积随成分和温度变化的模型；2)发展耦合关键实验、相图计算和第一性原理的科学方法获得上述铝合金的热物性参数随温度和成分的变化规律；3)将热物性参数与相场模型直接耦合，定量描述多元多相铝合金凝固和均匀化退火过程中组织结构演变。本项目的完成可望提供一种获得多元多相材料热物性质的新方法，扩大相图计算方法的应用领域，并显著提高铝合金微结构描述的精度。

材料的性能很大程度上取决于其微观结构，而准确的热物性质是对微观结构演变进行定量描述的必备条件。当前国际上缺乏获得多元多相合金精准热物性质的系统科学方法。体积、热导率和粘度是描述铝合金凝固和均匀化退火等热处理过程中组织结构演变的重要热物性参数，这些参数的缺乏使微观结构演变模拟受到很大限制。本项目以多元铝合金中6XXX(Al-Mg-Si-Cu)和7XXX(Al-Zn-Mg-Cu)为主要研究对象，首先基于实验和热力学计算完善了多元铝合金的相平衡和热力学数据库，在此基础上发展和完善了描述多元多相铝合金的扩散系、摩尔体积、粘度、热导率和界面能的计算模型，然后耦合关键实验、相图计算和第一性原理的科学方法获得多元铝合金的热物性参数随温度和成分的变化规律并构建相关的数据库。最后将热力学、热物性参数与相场模型直接耦合并辅以微结构表征的实验研究，实现多元多相铝合金凝固和均匀化退火过程中组织结构演变的定量描述。本项目旨在为新材料研发提供一种获得多元多相材料热物性质的新方法，扩大相图计算方法的应用领域，并显著提高铝合金微结构描述的精度。项目开展以来，项目组主要成员刘树红晋升为正高级职称，王建川、李凯晋升为副教授，指导4 名博士研究生及8名硕士研究生获得学位论文，在SCI刊物发表论文22篇。此外，开发了用于计算多元热物性质（摩尔体积、粘度、热导率、扩散系数、界面能）的软件CALTPP。CALTPP程序的功能多样性和高效性有望使其广泛应用于材料设计和教育领域。