基于第一性原理计算的固溶体合金集成学习设计方法

基于密度泛函理论的第一性原理方法在考虑了固溶体化学短程序特征后计算得到的合金的基本性质更为可靠。本工作将描述固溶体短程序的团簇加连接原子结构模型嵌入到第一性原理计算中,获得了一系列合金的基本物性数据;构建了数据管理系统,形成成分与性能数据库;进而采用多种机器学习算法构建合金成分与性能的预测模型,并对其进行对比分析;在此基础上,筛选最优算法,以精确预测合金的性能,并实现以性能为目标导向的成分设计;最终形成了一种基于第一性原理计算的固溶体合金集成学习设计方法,并开发出可视化程序软件。该方法有望大幅提升高性能先进合金材料研发的效率。

微量元素(Hf/Ta/Nb)添加对近α-Ti合金高温抗氧化性能的影响

利用"团簇加连接原子"结构模型解析典型高温近α-Ti合金Ti 1100成分,进而在此基础上添加Hf、Ta和Nb元素进行合金化,形成成分通式[Al-(Ti_(13.7)(Zr/Hf)_(0.3))](Al0.69Sn_(0.18)Si_(0.12))(Mo/Ta/Nb)_(0.03))。合金组织结构分析和高温抗氧化性结果表明:Hf元素的添加并未改变合金的结构和组织,在此基础上,不同配比的Ta和Nb替代Mo时合金由片层转变β组织转变为等轴α组织;系列合金在800℃下,Hf替代Zr后合金的抗氧化能力显著提高,Ta和Nb进一步合金化后合金的抗氧化能力进一步增强,其100 h后的氧化质量增加约为(2.2±0.2)mg/cm^2。

核电用铁素体/马氏体耐热钢的性能与成分研究进展

近年来,随着核电系统的不断发展,作为第四代核反应堆体系主要堆型的铅冷快中子反应堆(LFR)因其良好的导热性和中子经济性而成为目前研究的热点。为了优化铅铋冷却剂中包壳材料的腐蚀和辐照性能,作为火力发电重要高温结构材料的9%~12%Cr铁素体/马氏体钢(F/M)因良好的抗腐蚀性和耐辐照肿胀性能而成为铅冷快中子反应堆的候选包壳材料。然而,铁素体/马氏体耐热钢作为候选包壳材料,在服役过程中由于承受核燃料裂变带来的高温和辐照会加剧材料的腐蚀,同时辐照会进一步加剧材料的高温组织不稳定性,进而影响材料的高温力学性能。对于以上问题,近年来研究者主要从成分和工艺的角度出发,在9%~12%Cr F/M钢的基础上通过调整微量元素的添加以及改变热处理工艺,来设计满足服役要求的F/M钢合金体系,目前已经形成了Cr-Mo和Cr-W两种体系。研究结果表明,微量元素的添加对F/M钢的高温组织稳定性和力学性能至关重要;热处理方式的改变可以实现强度与塑性的良好匹配。本文系统总结了F/M钢各方面性能的研究进展,包括力学性能、耐腐蚀性能、抗辐照性能以及组织稳定性;进而归纳出合金性能与其成分之间的演化规律;最后,利用基于固溶体溶质化学短程序特征的团簇式成分设计方法探索了现有F/M钢的合金成分演化规律,提出了改良低活化F/M钢的多元团簇式合金成分,并结合热力学计算,有望发展出高性能多元合金化的F/M钢。

热处理工艺对Fe-12Cr马氏体钢组织与力学性能的影响

对Fe-12Cr马氏体钢包壳管材分别进行980~1050℃下保温15~30 min正火处理,随后在730~790℃温度下进行2 h回火处理,研究不同热处理工艺对Fe-12Cr马氏体钢包壳管材微观组织、室温和高温力学性能的影响。结果表明:正火处理后,冷轧Fe-12Cr马氏体钢的组织为板条马氏体,冷轧态的碳化物粒子会部分固溶于马氏体基体中;随正火温度的升高,残余碳化物的含量降低,且原奥氏体晶粒尺寸会增大(从980℃的9μm增至1050℃的12μm);回火处理后,马氏体基体上重新析出细小碳化物粒子,且随回火温度增加,碳化物粒子会发生粗化,平均尺寸为0.2~0.28μm,而马氏体板条间距几乎不随回火温度发生变化。Fe-12Cr马氏体钢经过1050℃×15 min正火+760℃×2 h回火处理后具有最佳的综合力学性能,其在600℃下的屈服强度为270 MPa,伸长率为40%;此时合金的碳化物粒子体积百分数最高,约为4.5%。

Mo/Nb/Ti/Zr微合金化对Fe-Cr-Al不锈钢第二相析出和显微硬度的影响

研究了Mo/Nb/Ti/Zr微合金化对Fe-Cr-Al不锈钢中第二相的析出和显微硬度的影响。通过团簇式成分设计方法确定了三元基础成分为[Al-(Fe_(12)Cr_2)](Al_(0.5)Cr_(0.5)),进而根据相似元素替代原则添加微量元素设计出系列多元成分合金。使用真空电弧熔炼炉制备合金铸锭并对其进行1200℃/2 h的固溶处理,在800℃进行多道次热轧制成板材,最后进行800℃/24 h时效处理。对系列样品进行XRD结构分析、光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)显微组织表征以及显微硬度测试。结果表明,添加微量合金化元素的种类和含量影响第二相粒子的析出状态。当合金化元素Mo与Nb的比例(原子百分比)为2:1时析出的第二相粒子在铁素体基体中弥散分布,且粒子尺寸较小,不锈钢的硬度较高为250 HV;在此基础上添加Ti替代Nb使第二相粒子的析出量显著降低而粒子尺寸略有增大,不锈钢的硬度较低为240 HV;添加Zr使析出相的粒子偏聚且粗化,但是其硬度仍然比较高(~246 HV)。