Phase Lab鎳基摩爾體積數據庫

實現材料物性參數的可靠預測

摩爾體積、密度、熱膨脹系數、彈性常數以及熱導率等是材料的基本物理性質，針對這些物理性質建立數據庫是材料設計基礎數據庫的重要組成部分。熱力學數據庫為動力學模擬提供相變驅動力和相平衡數據，同樣地, 物理性質數據庫可為動力學和組織模擬提供必要的物理參數, 如體積、點陣常數、點陣錯配度、彈性能和界面能等基礎屬性。

眾所周知，摩爾體積(或密度)是化學成分、溫度和壓力的函數，通過構建多元多相體系的體積數據庫，可以合理解決化學成分、溫度、壓力等外界條件與材料性質的相關性問題。Phase Lab基于CALPHAD框架內的體積模型，配套鎳基熱力學數據庫，開發了適用于寬廣成分和溫度范圍的鎳基體積數據庫，實現了鎳基合金多種物性參數的可靠預測。

（一）單組元系物性參數計算 通過評估單組元在不同物相下摩爾體積、密度、點陣常數、線膨脹系數等實驗數據，并結合第一性原理等理論計算結果，在CALPHAD框架下，建立單組元在不同物相的摩爾體積數據庫。采用Phase Lab軟件并結合該數據庫，可用于預測單組元摩爾體積、密度、點陣常數以及線膨脹系數等物性參數隨溫度的變化關系。圖1計算了單組元在液相、FCC_A1以及BCC_A2相摩爾體積或密度與實驗數據的對比結果。

圖1單組元FCC_A1相的摩爾體積計算結果(a)Ni；(b)Co；(c)Al； 單組元BCC_A2相的摩爾體積計算結果(a)Mo；(b)Nb；(c)W； 單組元液相的密度計算結果(a)Al；(b)Ta；(c)V 熱膨脹系數是表征體積隨溫度變化的物理量，反映材料的微觀結構與性質，影響材料的設計與應用。采用Phase Lab軟件并結合摩爾體積數據庫，可預測單組元線膨脹系數隨溫度變化關系。圖2計算了FCC_A1結構的Ni和Co元素線膨脹系數隨溫度的變化關系，并與實驗數據對比結果。

圖2 單組元FCC_A1相的線性熱膨脹系數計算結果(a)Ni；(b)Co

（二）二元系物性參數計算

通過評估二元系摩爾體積、密度、點陣常數、線膨脹系數等實驗數據，在CALPHAD框架下，建立成分-物相-摩爾體積的定量化關系，可用于預測鎳基合金密度、晶格常數、線膨脹系數、γ/γ′錯配度等衍生物理量。

鎳基合金的FCC_A1結構在高溫下具有較高的穩定性。通過計算γ相的摩爾體積，可用于合金高溫下結構穩定性分析。圖3分別計算了Ni-X(X=Mo、Nb、Ti和V)二元系室溫下γ相摩爾體積隨成分的變化曲線，并與實驗數據對比。

圖3 二元系FCC相摩爾體積計算(a)Ni-Mo；(b)Ni-Nb；(c)Ni-Ti；(d)Ni-V

采用Phase Lab軟件并結合摩爾體積數據庫，可預測不同二元系的液相密度，用于合金凝固行為以及鑄造模擬中液態合金的流動性研究。圖4分別是Ni-Co和Ni-Cr二元系液相摩爾體積或密度隨成分和溫度的變化曲線，并與實驗數據對比。

圖4 (a) Ni-Co二元系液相摩爾體積計算值； (b) Ni-Cr二元系液相密度計算值

晶格錯配度是描述兩種不同晶體在界面上原子排列不匹配程度的重要參數，本質是晶格常數的差異。以Ni-Al二元系為例，γ和γ′(FCC_L12)相具有不同的晶格常數，兩者之間的晶格錯配度對γ′相的析出以及分布起關鍵作用,如較大的晶格錯配可能導致γ′相以不連續的方式析出，形成孤立的顆粒或團簇，而較小的晶格錯配則可能促進γ′相以連續或均勻的方式析出。采用Phase Lab軟件并結合摩爾體積數據庫，可預測Ni-Al二元系γ和γ′的晶格常數隨成分的變化關系。圖5(a)和(b)計算了Ni-Al二元系中γ相和γ′相室溫時晶格常數隨成分的變化關系，并與實驗數據對比，可為γ′相析出行為研究提供可靠的數據支持。

圖5Ni-Al二元系FCC_A1和FCC_L12晶格常數計算值

（三）多元系物性參數計算

在枝晶凝固過程中，熔融狀態下合金的摩爾體積、密度是決定收縮程度、傳質效率以及宏觀偏析現象的核心參數之一。結合PhaseLab軟件以及鎳基摩爾體積數據庫，可建立多組元系成分-物相-溫度-摩爾體積-密度的定量化關系，為多組元系合金凝固模擬提供必要的物性參數。圖6(a)預測了不同成分下Al-Co-Ni合金液相密度與溫度的關系，并與實驗數據進行對比；圖6(b)是5種典型鎳基商業合金液相密度計算值與實驗值對比，兩者誤差在±3%以內，證實摩爾體積數據庫預測多組元系摩爾體積以及密度的可靠性。

圖6 (a)Al-Co-Ni三元系不同成分條件下液相密度計算結果

(b)商業合金液相密度計算值與實測值對比結果