稀土合金热力学数据库的开发及其在材料设计中的应用

【作者】 王翠萍； 刘兴军； 郭毅慧；

【机构】 厦门大学材料学院材料科学与工程系；

【摘要】 稀土元素具备独特的4f电子结构、较大的原子磁矩、很强的自旋轨道耦合、与其它元素形成稀土化合物的晶体结构呈现多样化等特性,使得稀土元素具有不同于周期表中其他元素的光、电、磁、热等优异的物理化学性能,被誉为"新材料"的宝库,在新材料领域中得到了广泛的应用。它在稀土磁性材料应用主要包括:稀土永磁材料、稀土磁致伸缩材料、稀土磁制冷材料、稀土磁光材料、稀土巨磁阻材料等。其中稀土永磁材料是支撑现代电子信息产业发展的基础;稀土磁制冷材料是取代禁用氟利昂制冷剂、开发绿色磁制冷技术的关键。因此,在稀土永磁材料与稀土磁制冷材料等应用领域开展基础研究,形成具有自主知识产权的高新技术产业,使我国稀土资源优势转化为经济优势将有着重要的战略意义。相图是材料设计的重要理论基础,因此有效地利用稀土合金的实验相图及热力学性质等相关信息,开展相图的热力学计算并建立稀土合金的热力学设计系统,实现稀土合金的成分及组织的高效设计,对稀土新型材料的研发具有重要的理论指导意义。本研究利用相图计算(CALPHAD)方法,采用亚规则溶体模型描述溶体相的吉布斯自由能,采用亚点阵模型描述金属间化合物和有序相的吉布斯自由能,并结合相平衡和热力学性质的实验数据,优化与计算基础二元系和三元系的相图,获得自洽性良好的热力学参数,建立了包含Nd-Fe-B-Co-Dy-Sm等元素的稀土永磁材料和包含Gd-Si-Ge-La-Fe-Co等元素的稀土磁制冷材料热力学数据库。基于热力学数据库,利用Thermo Calc/Pandat软件可以进行稀土多元合金的相平衡计算:包括稳定和亚稳的相图计算、相分数计算、液相面计算、热力学性质的计算等多种信息,为外推计算稀土多元合金系的相平衡提供理论基础。热力学数据库还可用于稀土多元合金的成分设计:如利用稀土永磁材料热力学数据库可以计算Nd Fe B永磁材料中的相组成,通过合金化提高主相Nd2Fe14B的含量,从而提高磁品的质量和磁性能;利用稀土磁制冷材料热力学数据库,可以预测元素含量对磁制冷材料相变温度的影响,通过优化提高居里点,为开发室温磁制冷材料的设计及制备提供重要的理论指导。更多还原