【摘 要】
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近年来,有关废气排放的法规日益严格,导致汽车发动机效率要不断提高,传统的铸造Al-Si合金的高温强度、耐热疲劳等性能目前已临近极限,不能满足新型高功率发动机的发展要求。合金化是解决铸造Al-Si合金高温性能不足的主要手段,通过固溶强化、弥散强化、消除高温亚稳相等,改善合金显微组织,达到铸造Al-Si合金高温性能的要求。但是,合金元素含量过高会产生脆性相使合金的性能恶化。因此,只有添加适量的合金元素
【基金项目】
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国家自然基金项目（No.51961014）； 赣州市重点研发计划项目（No.[2018]50）；
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近年来,有关废气排放的法规日益严格,导致汽车发动机效率要不断提高,传统的铸造Al-Si合金的高温强度、耐热疲劳等性能目前已临近极限,不能满足新型高功率发动机的发展要求。合金化是解决铸造Al-Si合金高温性能不足的主要手段,通过固溶强化、弥散强化、消除高温亚稳相等,改善合金显微组织,达到铸造Al-Si合金高温性能的要求。但是,合金元素含量过高会产生脆性相使合金的性能恶化。因此,只有添加适量的合金元素,才能使合金的高温性能得以均衡提升。合金的性能与相图又有着紧密的关系,相图可直观地表明合金成分与组织间的关系,为材料设计的定量研究提供理论基础。目前,建立在实验数据基础上的相图计算（CALPHAD）技术已得到长足发展,利用CALPHAD技术,可以计算多组元材料体系的相组成和相分数,模拟组织演变及相转变过程,为Al-Si基合金的设计与研发提供准确有效的信息。本文采用平衡合金法对Al-Si-Zr和Cu-Si-Zr三元体系的部分区域进行实验测定,并结合文献信息,利用CALPHAD技术对Al-Si-Zr和Cu-Si-Zr三元体系进行热力学优化,然后建立Al-Si-Zr-Cu四元体系热力学数据库,对部分合金的性质进行了计算。主要研究内容如下:（1）利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微分析（SEM）和能谱仪（EDS）测定了Al-Si-Zr三元体系在973和1173 K富Zr区的相平衡关系。在973 K等温截面中,测定了AlZr3+（Zr）+Si Zr3和AlZr2+Al2Zr3相区;在1173 K等温截面中,测定了AlZr3+（Zr）+Si Zr3和（Zr）+Si Zr3相区。结合本工作测得的和文献中报道的实验数据,对Al-Si-Zr三元体系进行了热力学优化,获得了一套自相融洽的热力学参数,并对获得的773 K等温截面图进行了实验验证,验证了Al2Zr+Al3Zr+αSi Zr、Si Zr3+（Zr）+AlZr3和AlZr2+Al2Zr3相区。（2）通过XRD、SEM和EDS方法测定了Cu-Si-Zr三元体系（Si at.%<40%）在1023和1173 K的相平衡关系,在1023 K等温截面中,测定了六个三相区,分别是Cu10Zr7+Cu8Zr3+Si Zr2、（Cu）+τ5+τ6、δCu33Si7+hcp+τ4、Cu5Zr7+CuZr2+Si Zr3、Cu10Zr7+Si Zr2+Si Zr3和Cu51Zr14+Si2Zr3+τ6;在1173 K等温截面中,测定了四个三相区,分别是（Cu）+τ5+τ6、liquid+（Si）+τ1、Cu5Zr7+CuZr2+Si Zr3和Cu51Zr14+Si2Zr3+τ6。结合本工作测得的和文献中报道的实验数据,对Cu-Si-Zr三元体系进行了热力学优化,优化结果与实验数据符合良好。（3）根据文献中最新报道的Al-Cu-Si、Al-Cu-Zr三元体系的热力学参数,结合本工作计算获得的Al-Si-Zr、Cu-Si-Zr三元体系的热力学参数,构建了Al-Si-Zr-Cu四元体系热力学数据库。利用此数据库,计算了由4个三元体系组成的在973和1173K的等温截面组合图、Al-7Si-0.2Zr-2Cu和Al-7Si-4Zr-5Cu合金的凝固模拟图、Al-7Si-5Zr-（0.6-3.5）Cu和Al-7Si-（5-10）Zr-11Cu合金的垂直截面图。除了上述工作外,根据相关文献报道的实验数据,采用CALPHAD技术,对Eu-Ga二元体系进行了热力学优化。采用亚规则和络合物模型对液相的自由能进行描述;对于化合物Eu Ga2、Eu Ga4、Eu Ga、Eu2Ga3、Eu2Ga5和Eu5Ga3,采用化学计量比模型描述其自由能。亚规则和络合物模型都能够再现实验相图,但是采用络合物模型的优化结果与实验数据更加吻合。
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