CN115938510A 审中 添加稀土元素提高合金渗铬速率的理论设计方法及应用
1.一种添加稀土元素提高合金渗铬速率的理论设计方法,其特征在于,包括:
1)根据稀土元素的特性差异,将稀土元素进行分类,并选取每一类中的指定元素;
2)基于相图计算方法构筑Cr-C-X-RE体系的相图热力学数据,其中X为合金的基材的主要元素、RE为所述指定元素,并至少计算获得平衡态相图以及液相、面心立方相和第一碳化物相的吉布斯自由能曲线,实现对稀土元素的初筛;
3)构建合金在渗铬过程中可能出现的体心立方相、第二碳化物相及选定化合物相的第一结构模型,通过第一性原理计算获得RE作用前后,Cr元素及C元素扩散能垒和扩散系数的变化情况;
4)构建包括面心立方的所述合金的基体与其表面的氧化膜所组成的第二结构模型,通过分子动力学模拟稀土元素对所述基材表面的氧化膜的稳定性的影响规律;
5)根据步骤(3)探知的所述变化情况和步骤(4)探知的所述影响规律,确认所需的稀土元素。
2.根据权利要求1所述的理论设计方法,其特征在于,步骤1)中,所述稀土元素的特性包括原子半径、熔点以及稳态结构;
和/或,将稀土元素进行分类的准则包括:原子半径变化、双峰效应、4f电子数以及标准态晶体结构。
3.根据权利要求2所述的理论设计方法,其特征在于,利用所述准则进行分类并选取所述指定元素的规则具体包括:基于1)标准态晶体结构为密排六方结构或非密排六方;2)由4f电子层半充满或全充满引起的原子半径突变而产生双峰效应的元素进行分类,然后在每个类别中随机指定一个稀土元素。
4.根据权利要求1所述的理论设计方法,其特征在于,步骤(2)具体包括:利用相图计算方法计算所述平衡态相图以及液相、面心立方相和第一碳化物相的吉布斯自由能曲线,并至少根据相图计算结果获得液相、面心立方相和第一碳化物相之间随温度变化的相关系及能量竞争关系,对稀土元素进行初筛,实现对稀土元素的初筛。
5.根据权利要求4所述的理论设计方法,其特征在于,所述相图计算方法具体包括:
获取Cr-C-X-RE体系的热力学数据库,通过相图计算软件计算相图,获得所述稀土元素种类和含量改变引起的相关系、零变量反应温度以及液相线变化情况,其中,X代表合金的主要元素,RE代表所述指定元素;
根据所述相关系、零变量反应温度以及液相线变化情况,计算液相、面心立方相以及第一碳化物相的吉布斯自由能曲线。
6.根据权利要求1所述的理论设计方法,其特征在于,步骤3)中,所述第二碳化物相包括Cr7C3相,所述选定化合物相包括σ相。
7.根据权利要求6所述的理论设计方法,其特征在于,步骤3)具体包括:
构建体心立方相、Cr7C3相以及σ相的第一结构模型,并计算得到模拟结果;
根据模拟结果至少得到Cr元素的均方根位移与时间的关系;
根据所述均方根位移与时间的关系计算所述变化参数。
8.根据权利要求1所述的理论设计方法,其特征在于,步骤4)具体包括:
构建包括面心立方基体、其表面的氧化膜以及所述基体表面的初筛元素的多层模型作为所述第二结构模型;
通过分子动力学模拟所述氧化膜的活化过程,获得稀土元素对所述氧化膜稳定性的影响结果。
9.一种提高合金渗铬速率的制备方法,其特征在于,包括:
采用权利要求1-8中任一项所述的理论设计方法设计合金掺杂稀土元素的材料体系,再依据设计出的材料体系制备合金并进行表面渗铬。
10.一种合金,其特征在于,它由权利要求9所述的方法制备。
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