一种基于热力学数据筛选的高通量多元扩散节设计模型及其应用

本发明涉及一种多元扩散节的设计模型，具体涉及一种基于热力学数据筛选的高通量多元扩散节设计模型及其应用，属于材料冶金。

背景技术：

1、扩散偶方法是当前合金体系测定，特别是固态关系测定中最适用、最高效、最可靠的一种方法。使用该方法能直接测定相平衡关系和相平衡成分，也能在一个扩散偶试样上能得到许多的合金成分，极大的缩短了实验时间，提高了工作效率。该方法能找到相区边界，求得共轭线，加快相图实测进程，为研究有序-无序转变提供了方便。扩散偶方法还具有实验过程简单、准确性高、原材料消耗少，适用于相变速率较慢体系等优点，其突出的优点是避免合金法测相图时引起的“过冷效应”，对固态相平衡的研究非常重要。

2、通常，按扩散偶组元所处的状态来分类，扩散偶制备的方法可以分为固/固扩散法、固/液扩散法和固/气扩散法。按扩散偶所含组元的数目来分类，扩散偶制备的方法可以分为二元扩散偶、三元扩散偶、四元及更高元扩散偶。对于二元扩散偶的制备一般有“捆绑法”，“铆钉法”，“轧合法”，“固-液蘸取法”等。对于三元扩散偶的制备常见的有“品”字形结合法和“铆钉法”以及“火层法”等。对于四元及更高元的扩散偶制备通常是以上多种方法的结合使用。

3、扩散系数在热力学和动力学中扮演着关键角色，它们描述了物质在不同相间的传输速率，对于物质传输、反应速率、系统平衡等方面具有重要意义。在化学反应、溶质运移、材料工程等领域，扩散系数决定了相应过程的进行速率，在电化学设备、生物学和医学应用中也有重要应用。通过测定和控制扩散系数，可以优化材料、工艺和产品性能，提高工程和科学过程的效率和效果。

4、单相扩散系数是指在一个相(例如固体、液体或气体)中，特定物质相对于其它物质的扩散速率。它是描述物质在单一相中传输速率的重要物理量，通常以d表示。在单相扩散中，扩散系数的大小直接影响了物质在相中的传输速率。例如，在固体中，单相扩散系数描述了某种物质在晶体结构中的运动能力，对于材料工程和热处理过程至关重要。在液体中，单相扩散系数可以决定溶质从高浓度区域向低浓度区域移动的速率，影响了许多化学反应和生物过程。

5、目前多元扩散节的设计较为依赖专业领域知识，并且当体系每增加一个组元时，工作量会成倍增加，从而导致多元扩散节成分、顺序、退火温度设计不合理等问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明的第一个目的在于提供一种基于热力学数据筛选的高通量多元扩散节设计模型，该模型基于相图参数，从单相区间入手，剔除冗余数据，保留多元扩散节所需的数据，再利用最速排列进一步优化多元扩散节排序方式，大幅简化设计流程，模型所得结果更为合理和准确。

2、本发明的第二个目的在于提供一种基于热力学数据筛选的高通量多元扩散节设计模型的应用，用于多元扩散节的快速优化及扩散系数在线测定。本发明所提供的模型对于多元扩散节，尤其是3元以上多元扩散节的计算有着优异的准确性，随着组元的增加，计算所需工作量增幅较小，在保证所得结果准确、快速的同时大幅减少所需算力，可满足多元扩散节设计优化和扩散系数快速计算的要求。

3、为了实现上述技术目的，本发明提供了一种基于热力学数据筛选的高通量多元扩散节设计模型，包括：

4、s1.根据热力学参数获取目标多元体系中所有二元体系的单相区相图成分和温度区间；

5、s2.根据s1所得相图成分和温度区间得到所有二元体系中每个单相区的重复温度区间及在该重复温度区间下的成分区间；

6、s3.根据s2所得单相区的重复温度区间确定最终扩散退火温度t，并根据温度t筛选单相区的最终的扩散偶节点成分；

7、s4.根据s3所得扩散偶节点成分进行重复节点合并，得到多元扩散节体系所需的节点成分，经最速筛选后得到多元扩散节的成分及排列顺序；

8、s5.根据上述所得数据制备多元扩散节并进行测试。

9、作为一项优选的方案，所述s1中元体系中所有二元体系的单相区相图成分和温度区间的获取过程为：

10、s1-1.根据目标多元体系给定元素，基于热力学数据库，通过tc-python接口计算出所有二元体系的二元相图数据；

11、s1-2.对s1-1所得数据进行筛选，得到每个单相区的相边界线数据；

12、s1-3.根据所获得的每个单相区的相边界线数据确定所有二元体系的单相区相图成分和温度区间。

13、将包含某一单相的所有线首尾相连，即得到该相的单相区。

14、作为一项优选的方案，所述s3中最终的扩散偶节点成分的筛选过程为：根据选定的的扩散退火温度t计算得到此温度下所有二元系中的每个单相区的成分区间左右端点，然后在端点成分区间内选择最终的扩散偶节点成分。

15、作为一项优选的方案，所述s4中多元扩散节体系所需的节点成分的获得过程为：将所有单相区的最终的扩散偶节点成分中的重复区间合并后得到新的节点成分区域，即得。

16、作为一项优选的方案，所述s4中最速筛选的方式为：多元扩散节体系最终所需的所有节点成分进行最短的路线排列，得到多元扩散节的成分和排列顺序。

17、作为一项优选的方案，所述s5中制备多元扩散节的过程为：根据s1～s4所确定的多元扩散节的成分和排列顺序，将原料装于真空热压模具中；将真空热压模具置于热压机上加热反应，反应结束后依次经打磨、清洗和退火处理，即得。

18、作为一项优选的方案，所述原料为多元扩散节中所含有元素的单质金属和/或合金，其纯度≥99.99％。

19、作为一项优选的方案，所述真空热压的条件为：真空度为3～6*10-3，温度为多元扩散节软化温度，压力为300～600mpa，时间为0.08～0.15s。

20、作为一项优选的方案，所述退火处理的温度为s3中确定的最终扩散退火温度t，时间为1～90天。

21、作为一项优选的方案，所述打磨的方式为采用≥2000目以上的砂纸进行抛光处理；所述清洗方式为超声清洗，其条件为：超声功率为30～200w，时间为3～10min。

22、本发明还提供了一种基于热力学数据筛选的高通量多元扩散节设计模型的应用，用于多元扩散节的快速优化及扩散系数快速计算。

23、相对于现有技术，本发明的有益技术效果为：

24、1)本发明所提供的多元扩散节设计模型基于相图参数，从单相区间入手，剔除冗余数据，保留多元扩散节所需的数据，再利用最速排列进一步优化多元扩散节排序方式，大幅简化设计流程，模型所得结果更为合理和准确。

25、2)本发明所提供的技术方案中，采用tc-python结合相图数据筛选在提高计算速率的同时还大幅提高结果的准确性，在确定的多元扩散节的成分和排列顺序的过程中采用最短扩散节排列算法可满足多体系需求，且扩散节的体系越多，其相较于传统计算方式的速率越快，可信度越高；通过该模型所计算出的多元扩散节相关参数相较于人工经验的可靠性更高、速率更快，且可以避免反复验算的过程。

26、3)本发明所提供的模型对于多元扩散节，尤其是3元以上多元扩散节的计算有着优异的准确性，随着组元的增加，计算所需工作量增幅较小，在保证所得结果准确、快速的同时大幅减少所需算力，可满足多元扩散节设计优化和扩散系数在线检测的要求。