磁场作用下二元铝合金相图及凝固行为

本项目主要研究直流磁场或不同频率的交流磁场对铝合金液相线、固相线及固溶度曲线的影响；不同温度下铝合金淬火试样的微观结构、相组成、晶粒大小及形貌；磁场对铝合金熔体结构的影响。根据实验结果，通过分子动力学、磁流体力学、热力学及冶金学理论，借助计算机模拟，分析磁场对金属凝固的作用机制。相图在材料研究的各个领域具有非常重要的作用，金属在磁场作用下凝固时热力学和动力学条件均发生改变，因此迫切需要对磁场作用下的相图变化进行研究，这一探索性工作具有首创性，并有望产生新工艺和新理论。金属熔体是由大量带电粒子组成的体系，它们在有无磁场作用下的行为有很大的差异。因此，本项目设想从考察铝合金在磁场中的凝固行为入手，探索磁场作用下非平衡凝固的微观本质，这对深入了解磁场作用下材料组织性能变化的本质和指导其工业应用都有重要意义。这些研究将为材料电磁过程理论提供新的基础知识。

快速凝固粉末铝合金是快速凝固取得的最重要成果之一。美国材料咨询局( NMAB)对先进的快速凝固铝合金的研究做了全面的评估，得出的结论是：(1)快速凝固粉末铝合金的性能比传统铸锭冶金优越得多；(2) 快速凝固粉末冶金铝合金主要用于航空工业；(3)现行的有关相关系、显微组织及结构性能方面的知识不适用于快速凝固铝合金。咨询局的评估是对快速凝固铝合金的研究、开发、试验与生产的有力支持，该报告特别指出应进行长期、广泛的基础研究并制定发展规划。

快速凝固铝合金主要是在粉末高比强合金、粉末耐热铝合金、粉末高强铝合金、粉末耐磨铝合金方面取得了很多成果，特别是粉末耐热铝合金的成就令人瞩目。

研究表明：强磁场影响了合金熔体中的原子团簇结构及非晶合金的形成和晶化过程。基于强磁场对铁磁性和非铁磁性合金的影响机理可能不同，本项目以锆基、稀土基及铁基非晶合金为研究对象，利用微观组织分析技术和相变理论来研究强磁场对合金凝固组织的影响，通过对比非晶样品的室温压缩行为、泊松比、磁性能、低温晶化行为等来分析强磁场对非晶合金区域性微结构的影响，旨在建立非晶合金微观组织及区域性微结构与磁场条件、合金体系、冷却方式等的联系，明确强磁场对非晶合金的微观组织及区域性微结构的影响，了解强磁场对不同类型合金作用机制的异同，揭示强磁场对非晶合金形成的影响规律，达到利用强磁场来提高合金的非晶形成能力、调制非晶合金微结构的目的，为利用强磁场改善块体非晶合金性能和开发新材料提供基础。

可铸耐热铝合金是目前铝合金研究的重点课题。添加Sc形成L12结构的Al3Sc弥散强化相可有效提高铝合金的的耐热性而且不影响铸造性能。然而Sc价格昂贵，寻找其他合金化元素来取代Sc具有重要的技术与经济价值。与Sc相似，在Al-RE (RE=稀土元素)二元系与Al-RE-X (RE=稀土元素; X=Zr, Hf) 三元系中存在稳定的或亚稳的L12三元化合物,因此研究这些体系的相图对寻找能全部或部分替代Sc的合金元素很有意义。 本项目针对上述问题，采用合金法，通过SEM/EDX和XRD检测手段测量了Al-Dy-Zr三元系773 K等温截面，Al-Cu-Er三元系673 K富铝角等温截面以及Al-Sc-Zr、Al-Sc-Y、Al-Dy-Zr和Al-Gd-Zr三元系873 K等温截面。根据已有实验结果和评估的相图信息，将第一原理计算与CALPHAD方法相结合优化了Al-Cu-X (X=Er,Zr,Y)、Al-Sc-M(M=Zr,Y)、以及Al-Zr-RE (RE=Dy,Gd)体系相图。利用CALPHAD方法优化了Al和Zr原子在fcc_Al,bcc_Zr和hcp_Zr相中的原子移动性参数，建立了ZrAl3相平均互扩散系数与温度的关系并由此发现Zr中的微量杂质Fe可降低ZrAl3相生长速率。 上述结果丰富了铝合金相图热力学与扩散动力学数据，为开发耐热铝合金提供了可靠的知识基础，研究所获得的相图作为标准相图被美国金属学会收录与发布，已发表论文11篇，其中9篇发表在国外知名刊物，研究成果达到国际先进水平。