高性能鋁合金的研發(fā)和應用是我國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃以及國家重點研發(fā)計劃的重要支持方向。7xxx系鋁合金，核心成分包括Al、Zn(占比5%-8%)、Mg（占比0.5%-2.5%）和Cu(占比1%-2%)，添加微量Ti和Zr元素可增強合金的焊接性，引入微量的Sc元素可對合金晶粒進行細化。7xxx系鋁合金具有高強、輕質、良好的塑性、焊接性以及低溫性能等特點，廣泛應用于航空航天、高速列車、汽車制造和高端電子產(chǎn)品等領域，是追求高性能和輕量化的重要材料。

以7xxx系鋁合金的開發(fā)和應用為導向，基于CALPHAD方法，Phase Lab最新上線7元鋁合金熱力學數(shù)據(jù)庫(Al-Cu-Mg-Zn-Sc-Ti-Zr)，可用于構建熱力學平衡條件下鋁合金成分與物相組成的定量化關系。當前用戶可在鴻之微云平臺點擊試用。（網(wǎng)址：https://cloud.hzwtech.com/web/personal-space/online-tool/online-phase-lab)

圖1 Phase Lab鋁基合金熱力學數(shù)據(jù)庫首頁

Al基熱力學數(shù)據(jù)庫基本信息

01

①元素組成

數(shù)據(jù)庫包含Al、Cu、Mg、Sc、Ti、Zn和Zr，共7種元素。

②二元系組成

數(shù)據(jù)庫包含7種元素涉及的21個二元系。

③三元系及高組元體系

數(shù)據(jù)庫當前已優(yōu)化17個核心三元系和Al-Cu-Mg-Zn四元系的相平衡關系，體系名稱如下表。

④相組成

數(shù)據(jù)庫共包含93個物相。各相具體的模型信息，可通過點擊Phase Lab的“各項熱物性”計算功能并選中所有7種元素進行查看，其結果展示頁面如下所示。

圖2 Phase Lab鋁基合金熱力學數(shù)據(jù)庫物相模型信息查看頁面

基于Phase Lab進行7xxx系鋁合金熱力學計算

02

當前鋁合金熱力學數(shù)據(jù)庫以21個二元系和17個三元系熱力學參數(shù)為基礎，并優(yōu)化Al-Cu-Mg-Zn四元系相平衡實驗信息，其二元、三元以及四元系相平衡計算結果與實驗數(shù)據(jù)具備良好的一致性，外推的高組元系相平衡關系合理性得到檢驗?；跀?shù)據(jù)庫和Phase Lab豐富的熱力學計算功能，可以滿足7xxx系鋁合金熱力學平衡計算的基礎需求。

Al-Mg-Zn體系是7xxx系鋁合金的核心三元系之一，Mg與Zn形成的η相(MgZn2)以及三元化合物T相(Al2Mg3Zn3)可以顯著提升合金的強度和硬度，同時適量Mg的加入可以提高合金的韌性和抗應力腐蝕性，而Zn過量可能會影響合金的抗腐蝕能力。如圖3所示，采用Phase Lab軟件并結合鋁基熱力學數(shù)據(jù)庫，可計算不同合金元素含量條件下體系的相圖，輔助元素配比和物相的精確調控，促進合金的性能優(yōu)化。

圖3 不同成分下Al-Mg-Zn三元系垂直截面計算相圖

(a) x(Mg)=0.36; (b) x(Zn)=0.2

Al-Cu-Mg-Zn四元系是7xxx系鋁合金的主要組成部分，其中存在多種析出強化相，對合金的性能有重要影響，如θ相(Al2Cu)、η相(MgZn2)、T相(Al2Mg3Zn3)以及S相(Al2CuMg)等。如圖4所示，基于Phase Lab軟件和鋁基熱力學數(shù)據(jù)庫進行相圖計算，對于Al-Cu-Mg-Zn系合金的成分設計與組織調控具有重要指導作用。

圖4 不同元素含量下Al-Cu-Mg-Zn四元系733K等溫截面計算相圖

(a) w(Zn)=0.04; (b) w(Zn)=0.06;

(c) w(Zn)=0.08; (d) w(Al)=0.9

Sc和Zr是7xxx系鋁合金中重要的微量添加元素，利用計算熱力學方法來探究微量元素添加對合金在平衡狀態(tài)下物相構成的影響，已成為當前合金材料設計領域一種切實可行且高效的研究手段。如圖5所示，采用Phase Lab軟件并結合鋁基熱力學數(shù)據(jù)庫，可以實現(xiàn)多組分體系的復雜熱力學平衡計算，精確獲取體系合金成分-物相組成-溫度的定量化關系，為合金成分設計與組織/性能調控提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

圖5 多組分鋁合金體系垂直截面計算相圖

(a)Al-8Zn-Mg-2Cu-0.3Sc(wt.%);

(b)Al-8Zn-Mg-2Cu-0.3Sc-0.3Zr(wt.%)