V-Zr二元系的第一原理计算及热力学优化赵旭山沈剑韵北京有色.DOC

V-Zr二元系的热力学优化 （北京有色金属研究总院矿物资源与冶金材料研究所，北京 100088） CALPHAD（相图计算）利用体系相平衡和热力学性质，对二元系进行了热力学优化。采用量子力学第一性原理准谐声子的方法计算了V2Zr相亚晶格模型中各个端基的热力学性质，以补充短缺的数据。优化结果获得了一套自洽的能够很好地拟合大部分实验相图的热力学参数。 V-Zr二元系；CALPHAD技术；量子力学计算；热力学优化 中图分类号：TG111.3 文献标志码：理论与应用研究学术论 文章编号： First-principles Calculations and Thermodynamic Modeling of the V-Zr System Zhao Xu-Shan, Shen Jian-Yun Mining, Metallurgy Materials Research Institute, General Research Institute for Nonferrous Metals Beijing 100088, China Abstract: Thermodynamic model of the V-Zr binary system is established by using the CALPHAD approach combined with first-principles calculations. The predicted Gibbs free energy of the compound V2Zr and other end-members in sublattice model of V2Zr phase by the first-principles calculations is used to describe the lattice stabilities of this phase. A set of model parameters for the V-Zr system are obtained via thermodynamic optimization by using the PARROT module in Thermo-Calc soft-package. The calculated phase diagram agrees well with the reported experimental data. Keywords: V-Zr system, Phase diagram, CALPHAD method, Thermodynamic assessment, First-principles 以锆为基添加其他元素组成的合金，是一类广泛用于核反应堆的难熔金属材料。锆合金具有优良的力学性能，好的可加工性和焊接性，在300～400 ℃的高温高压水和蒸汽中具有良好的耐蚀性能，热中子吸收截面小和对核燃料相容性好等特性，是理想的核反应堆堆芯结构材料。 钒的中子吸收截面小（原子的热中子吸收截面5.00 b，快中子吸收截面为3 mb/MeV）[1, 2]，有良好的耐蚀性[3-5]，并有抗高温蠕变强度[6-8]作为核电用锆合金合金化元素正在引起相关专家的重视。建立Z-V 体系的热力学模型， 将之补充到已有的锆合金热力学数据库，用以研究加入此元素后合金的相变和热力学性质有重要意义。 关于Zr-V二元系，文献中仅有一些相平衡实验数据[9-11]，和根据这些实验数据绘制的相图[12]，几乎没有热力学热力学性质实验数据，使此体系的热力学优化存在一定困难。本文采用量子力学第一性原理准谐声子的方法计算了V2Zr相亚晶格模型中各个端基的热力学性质。在已有实验数据和量子力学计算基础上，进行了热力学优化，建立Zr-V热力学模型。由此模型计算的相平衡信息和实验数据吻合良好。 相图和实验信息基于Zr-V二元系相关系的实验研究，Simth[12]绘制了如图1所示的实验相图。该二元相图包含三个固溶体区域：六方结构的富Zr 相(H-Zr)、立方结构的富V相(B-V)和富Zr 相(BCC-Zr)，一个立方结构的中间化合物相V2Zr。此体系存在三个不变反应，（1）包晶反应β-V+LIQUID→V2Zr（2）共晶反应LIQUID→V2Zr+βZ（3）共析反应βZr→V2Zr+αZr。 图1 Smith[12] Fig.1 The assessed phase diagram for the V-Zr system based on the investigation of Smith [12]. 2 热力学模型本文采用以下热力学模型对体系中的各相进行描述： 2.1纯组元 纯组元i（i代表Zr、V元素）在(相（包括液相L