AlV系二元相图的计算、评估及其活度

史忠兵+马凤仓+王飞+刘平+刘新宽+李伟

摘要： 利用最新版本的Pandat热力学计算软件，采用最新的Ti合金数据库和合理的热力学模型，计算出了AlV系二元相图.研究发现：从相率和相图的特殊点对其进行了详细的热力学评估，最大误差为1.14%，说明计算相图与试验相图吻合较好；在AlV二元相图的基础上，提取了Al和V在不同物质的成分和温度下的活度；拟合了恒温下其活度的计算公式，其线性相关度R趋近于1；作出了V的活度成分温度关系曲线，有效地解决了“试验测活度难”的问题.

关键词： AlV系； 热力学模型； 相图； 评估； 活度

中图分类号： TG 111.5 文献标志码： A

Al和V是钛合金中常常添加的合金元素[1]，尤其是Al元素，据统计80%以上的钛合金中都含有Al.Al元素可以扩大α相区，是α相稳定元素.α相中Al的质量分数为5%～7%.当Al当量含量较低时，主要沉淀出α2Ti3Al有序相；当Al当量含量较高时，有γTiAl及其他TiAl化合物形成.在正常使用的含Al钛合金中以Ti3Al沉淀强化为主.而V元素可以扩大β相区，是β相稳定元素.然而吴欢等[2]研究表明Al对α相的强化作用却比V低得多.磁性和有色合金中除了钢铁合金外，90%以上都含有V元素.当V在钛合金中的质量分数在4%左右时，其合金易于成形，并且延展性也很好；当V在钛合金中的质量分数在1%左右时，其合金可以得到强化[2-3].因此，根据对材料性能的需求，我们可以通过控制Al和V元素在钛合金中的质量分数，获得所需的α钛合金、β钛合金或（α+β）钛合金等.

把中间合金[4-6]添加到钛合金中，不仅可以有效地控制所需元素在钛合金中的最终比例，还可以提高合金成分的均匀性.因此在实际的钛合金生产中，主要合金成分都是以中间合金的形式添加的.国内的AlV中间合金有AlV50，AlV70和AlV80三种牌号[1]，颜色均为银灰色.块状AlV50的粒度范围是1～50 mm，AlV70和AlV80的粒度不大于100 mm.由于中间合金的质量会对钛合金的性能产生直接的影响[7-11]，为了生产出满足航空领域等所需的最佳性能的钛合金，首先必须制备纯度高和成分均匀的AlV中间合金.

随着科技的发展，单纯依靠试验的方法研究AlV系合金，已经不能满足高效、快节奏的人们对其的迫切需求.而现在发展比较成熟的热力学计算不仅可以加速AlV系合金的研究，还可以省去大量的人力、物力和财力.

本文用热力学计算软件Pandat重新计算了AlV二元系相图，并对其进行了评估.最后在AlV二元相图的基础上，提取了Al和V在不同组元的摩尔分数和温度下的活度.

1 AlV系二元平衡相图的热力学计算

完整的AlV系二元平衡相图实际上是一个由压力、温度和成分组成的三维图形.然而，通常情况下压力基本是不变的，因此它可以用温度和成分两个独立变量来简要描述.Murray第一次评估了AlV二元系相图，但其还有许多地方不能够确定[12].例如在富V区，受高温熔化的影响，一方面很难获得固相平衡，另一方面很难准确地测量出固相线和液相线温度.利用pandat2016提供的最新钛合金数据库和二元相图计算模块，重新计算了AlV二元合金体系下的合金成分分布及相组成等.

1.1 AlV系的热力学模型

不同的相会有不同的结构，且是相互独立的.为了计算出准确的平衡相图，不同类型的相需要采用不同的热力学模型.

1.2 AlV系平衡相图的热力学计算

利用Pandat软件计算了如图1所示的的AlV二元平衡相图.从图1中可以看出，AlV系合金二元平衡相图中存在Liquid（L），Fcc（Al），Bcc（V）和五种金属间化合物Al21V2，Al45V7，Al23V4，Al3V和Al8V5.單晶一方面对原子在相中的排列顺序起了决定性作用，另一方面可以在一定程度上指导复杂相的形成，因此对单晶进行分类具有重要的意义.Al21V2、Al3V和Al8V5晶格图片如图2所示.

AlV二元合金体系中的相平衡线把相图划分为14个相区.相图上所标出的相区标号所对应的相区成分如表1所示.

2 AlV系二元平衡相图的评估

2.1 相律的评估

相律描述了平衡物系中的自由度数、相数和独立组分数之间的关系，是研究相平衡的基本规律，其计算公式为：

对AlV二元系，C=2，F=3-P，最多平衡共存相数为3.从图1可以看出，AlV二元系最多有3个平衡共存相，符合相律.

2.2 特殊点的评估

通过查阅了大量文献，并结合自身的工作，找到了AlV二元相图特殊点的试验数据.利用试验数据和计算数据做成了表2和图3.

从表2和图3中可看出，计算值与试验值的最大偏差绝对值为7.825 ℃，最小偏差绝对值为0.003 ℃；相对误差最大值为1.137 435%，相对误差最小值为0.000 45%.相对误差均小于允许误差5%，可见通过Pandat计算出的AlV二元相图和试验相图吻合得较好.

3 Al和V活度的提取

从20世纪40年代开始，就有很多科学家采用多种试验技术测定了一些基本渣系的活度，但并没达到预期效果.三元系炉渣活度的测定更为困难[17]，甚至连对一些常用渣系的活度图都存在一定的争议.因此熔渣体系活度用试验的方法测定特别困难，更别说所有体系的活度了，而试验相图的测定比活度测定容易且目前相图试验数据较为完善.此外，与通过模型来计算热力学量相比，其无需拟合参数.所以从相图中提取活度具有一定的意义和价值[18].

在不引入任何参数的情况下，从AlV二元相图能够方便地提取液相线温度对应Al和V组元的活度.如表3所示，当温度为1 873，1 973，2 000，2 073，2 100，2 173，2 200和2 273 ℃时，从AlV二元相图中提取了Al和V组元在0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9和1.0成分下的活度.在成分一定的情况下，Al或V组元的活度随着对应的温度增大而增大；在温度一定的情况下，Al或V组元的活度随着对应组元的摩尔百分比增大而增大.当Al和V组元的摩尔百分比接近1∶1时，其对应的活度相等.endprint

分别对Al和V组元的摩尔成分和活度的拟合，得出如图4和图5所示的曲线.其拟合的线性相关度R接近于1.R2可以反映拟合结果的好坏，越接近1，说明拟合结果越好.从图4和图5可以发现，Al和V组元的摩尔成分和活度曲线满足式（5）.对应的系数A，B和C的值见表4和表5.

从表3可以看出，活度实际上还受温度的影响.如果把活度看成是摩尔分数和温度的函数，根据表3的数据得出活度随着摩尔分数和温度变化关系的曲面，如图6所示.此外，通过理论计算而不是通过直接的试验，就可以有效地预测三元或多元的热力学数据[19-26].

4 结 论

利用最新版本的Pandat软件，采用最新的钛合金数据库，对数据较为充分的AlV二元相图进行了计算和评估.并从中提取了Al和V不同摩尔分数和温度下的活度.得到如下结论：

（1） 详细描述了AlV二元相图中各相的热力学计算模型.

（2） 利用Ti合金数据库和热力学模型并遵循相图计算流程对AlV二元相图进行了計算.

（3） 利用试验数据对用Pandat软件计算的AlV二元相图的特殊点（如熔点、包晶点等）进行了评估，相对误差均小于5%，说明了计算相图与试验相图吻合得比较好.

（4） 从AlV二元相图中提取了Al和V组元的活度，并找到了分别计算活度随着摩尔百分比和温度变化的公式，其线性相关度趋近于1.说明公式与数据匹配得非常好，有效地解决了“试验测活度难”的问题.

（5）由尽量少的试验数据点得到温度、组成区域尽量多的信息.且可由AlV二元外推到AlErV，AlNdV，AlGdV，AlHoV和AlSiV等三元体系和多组分体系，预计体系的一些不易测定的性质，如活度等.

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