Phase Lab铝基数据库,赋能7xxx系铝合金开发设计

高性能铝合金的研发和应用是我国新材料产业发展规划以及国家重点研发计划的重要支持方向。7xxx系铝合金，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元素可增强合金的焊接性，引入微量的Sc元素可对合金晶粒进行细化。7xxx系铝合金具有高强、轻质、良好的塑性、焊接性以及低温性能等特点，广泛应用于航空航天、高速列车、汽车制造和高端电子产品等领域，是追求高性能和轻量化的重要材料。

以7xxx系铝合金的开发和应用为导向，基于CALPHAD方法，Phase Lab最新上线7元铝合金热力学数据库(Al-Cu-Mg-Zn-Sc-Ti-Zr)，可用于构建热力学平衡条件下铝合金成分与物相组成的定量化关系。当前用户可在鸿之微云平台点击试用。（网址：https://cloud.hzwtech.com/web/personal-space/online-tool/online-phase-lab)

图1 Phase Lab铝基合金热力学数据库英国威廉希尔公司网站

Al基热力学数据库基本信息

01    

①元素组成

数据库包含Al、Cu、Mg、Sc、Ti、Zn和Zr，共7种元素。

②二元系组成

数据库包含7种元素涉及的21个二元系。

③三元系及高组元体系

数据库当前已优化17个核心三元系和Al-Cu-Mg-Zn四元系的相平衡关系，体系名称如下表。

④相组成

数据库共包含93个物相。各相具体的模型信息，可通过点击Phase Lab的“各项热物性”计算功能并选中所有7种元素进行查看，其结果展示页面如下所示。

图2 Phase Lab铝基合金热力学数据库物相模型信息查看页面

基于Phase Lab进行7xxx系铝合金热力学计算

    02    

当前铝合金热力学数据库以21个二元系和17个三元系热力学参数为基础，并优化Al-Cu-Mg-Zn四元系相平衡实验信息，其二元、三元以及四元系相平衡计算结果与实验数据具备良好的一致性，外推的高组元系相平衡关系合理性得到检验。基于数据库和Phase Lab丰富的热力学计算功能，可以满足7xxx系铝合金热力学平衡计算的基础需求。

Al-Mg-Zn体系是7xxx系铝合金的核心三元系之一，Mg与Zn形成的η相(MgZn2)以及三元化合物T相(Al2Mg3Zn3)可以显著提升合金的强度和硬度，同时适量Mg的加入可以提高合金的韧性和抗应力腐蚀性，而Zn过量可能会影响合金的抗腐蚀能力。如图3所示，采用Phase Lab 软件并结合铝基热力学数据库，可计算不同合金元素含量条件下体系的相图，辅助元素配比和物相的精确调控，促进合金的性能优化。

图3 不同成分下Al-Mg-Zn三元系垂直截面计算相图

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

Al-Cu-Mg-Zn四元系是7xxx系铝合金的主要组成部分，其中存在多种析出强化相，对合金的性能有重要影响，如θ相(Al2Cu)、η相(MgZn2)、T相(Al2Mg3Zn3)以及S相(Al2CuMg)等。如图4所示，基于Phase Lab 软件和铝基热力学数据库进行相图计算，对于Al-Cu-Mg-Zn系合金的成分设计与组织调控具有重要指导作用。

图4 不同元素含量下Al-Cu-Mg-Zn四元系733K等温截面计算相图

(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系铝合金中重要的微量添加元素，利用计算热力学方法来探究微量元素添加对合金在平衡状态下物相构成的影响，已成为当前合金材料设计领域一种切实可行且高效的研究手段。如图5所示，采用Phase Lab 软件并结合铝基热力学数据库，可以实现多组分体系的复杂热力学平衡计算，精确获取体系合金成分-物相组成-温度的定量化关系，为合金成分设计与组织/性能调控提供可靠的数据支持。

图5 多组分铝合金体系垂直截面计算相图

(a) Al-8Zn-Mg-2Cu-0.3Sc(wt.%); 

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