Ni元素添加对Al-Zn-Mg-Cu系铝合金组织结构及性能影响第一性原理研究

作     者：周建宇 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：傅宇东;李婷

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：Al-Zn-Mg-Cu铝合金 Ni添加改性 第一性原理计算 电子结构 力学性能 

摘      要：7xxx系铝合金(Al-Zn-Mg-Cu体系),因其质轻,高强度、易加工等优异性能,被广泛地应用于航空航天领域。然而,合金的各个元素含量相对广泛,因此合金成分的微小改变将会导致合金性能发生显著变化。近年来,传统的“试错迭代的成分优化逐渐与基于第一性原理计算相结合从而完成材料设计。因此,本文利用第一性原理计算系统探索了Al-Zn-Mg-Cu-Ni系合金(析出相、固溶体)的热力学稳定性、力学性能以及电子结构。研究结果给出了相对准确的合金元素含量对Al-Zn-Mg-Cu-Ni体系铝合金性能的影响,说明通过多尺度设计来优化铝合金成分及性能是新材料及新工艺开发的高效手段之一,本研究为后续新型铝合金开发和制备奠定了基础。本文主要工作和研究结果如下:设计了320种Al-Zn-Mg-Cu-Ni成分(4.8-6.3Zn1.1-2.6 Mg1.6-3.1Cu0-2Ni-wt%,每种元素间隔0.5wt%),然后通过热力学计算得出可能的室温平衡相。结果表明Ni元素添加前Al-Zn-Mg-Cu系铝合金主要含有Mg Zn,AlMg Cu,AlCu这三种第二相,添加Ni元素后会出现AlNi,AlCuNi两种新相。基于热力学计算结果,通过第一性原理计算对析出相的热力学稳定性、力学性能及电子结构进行探究。此外,发现两种含Ni相的热力学稳定性较高,力学性能较为优异,可归因于含Ni相中形成了具有离子性或共价性的Al-Ni键。基于热力学计算和第一性原理计算结果选取了五种合金成分(具有最高含量的五种第二相)并构建了对应的固溶体模型(SQS随机分布模型)。然后通过第一性原理计算对固溶体模型的热力学稳定性、力学性能及电子结构进行探究,其中AlZnMgCuNi,AlZnMg CuNi(含Ni相的含量最高)热力学稳定性较好。其中AlZnMg CuNi的综合力学性能最为优异,除泊松比较低外,硬模量、硬度、硬弹比都相对较高,是一种理想的高强高韧铝合金。固溶体结构中形成了Al-Ni、Al-Zn及Al-Cu键,其中Al-Ni键强度最高。构建了不同Ni元素含量的VCA梯度模型,通过第一性原理计算进一步探究Ni元素含量对铝合金性能的影响。随着Ni元素含量的提高合金晶胞体积会有所降低。Ni元素的添加会显著提升Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的剪切模量、杨氏模量、硬度和耐磨性等性能;但会降低铝合金的泊松比和韧性,但是泊松比的降低幅度较低。此外,Ni元素的添加还会改变晶体结构弹性模量的各向异性。综上所述,适量的Ni添加可有效改善Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的力学性能。