可铸耐热铝合金的相图与合金化研究

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。

可铸耐热铝合金是目前铝合金研究的重要课题，加Sc后，形成具有L12结构的Al3Sc弥散强化相，可以有效的提高铝合金的耐热性，并且不影响其铸造性能，但Sc太贵，寻找其它合金元素，开发出不含Sc的可铸耐热铝合金具有重要的技术与经济价值。对在铝合金中加入其它元素能否具有与Sc类似的合金化效果，完全取代Sc，目前还存在争议。合金元素在铝基固溶体中的固溶度与富铝端的凝固反应性质（共晶还是包晶）成为选择合金元素的重要依据。本项目拟通过对Al-RE（RE=Y, Er ,Tm,Yb, Lu）二元相图富Al端和Al-RE-X （RE=Tb、Dy、Ho）（X= Zr、Hf）三元相图富Al角的精确测量，确定与L12相平衡时，Al基固溶体的溶解度随温度的变化；和上述三元系中，L12相与铝基固溶体构成的伪二元系中，凝固反应的性质（共晶还是包晶）。为可铸耐热铝合金的弥散强化相的选择与合金化元素的选择提供知识基础。

铝基非晶合金的非晶形成能力差已成为其应用的主要障碍，利用Ca、Sr、Ba微合金化有可能成为提高其非晶形成能力的重要途径。由于Al基非晶合金的特点，许多预测其它非晶合金的非晶形成能力的经验方法并不适用于Al基非晶合金，Al基非晶合金的非晶形成能力需要结合结晶热力学与动力学进行预测，准确的相图热力学数据库是这一预测方法的基础。本项目拟综合运用平衡合金法、扩散多元结和相图热力学计算方法，系统研究Al-(Ni,Co)-(Y,Gd)-（Ca,Sr,Ba）多元相图，建立相应的相图热力学数据库，计算该体系不同成分合金的结晶驱动力、熔化焓和熔化温度，并结合表面能和粘度计算的经验公式，运用JMAK方程计算出不同合金的等温冷却转变曲线（TTT曲线）和制备非晶所需的临界冷却速度，探讨Ca、Sr、Ba微合金化对铝基非晶合金非晶形成能力的影响，预测微合金化最佳成分范围，为铝基非晶合金制备提供关键基础数据。

铝基非晶合金的非晶形成能力差已成为其应用的主要障碍，利用Ca、Ba微合金化有可能成为提高其非晶形成能力的重要途径。由于Al基非晶合金的特点，许多预测其它非晶合金的非晶形成能力的经验方法并不适用于Al基非晶合金，Al基非晶合金的非晶形成能力需要结合结晶热力学与动力学进行预测，准确的相图热力学数据库是这一预测方法的基础。 本项目运用合金法测量了Al-Co-Y三元体系 1173K、Al-Ni-Ca 三元体系673 K与873 K、Al-Ca-Y三元体系873 K、Al-(Y,Gd,Dy)-Zr 三元系873K与Al-Cu-Nd 673K的等温截面；结合第一原理计算的化合物的形成焓对Al-Ba、Al-Gd、Gd-Zr 3个二元体系和Al-Co-Gd、Al-Ni-Ca、Al-Ni-Ba、Al-(Y,Gd,Dy)-Zr、Al-Cu-(Nd,Yb) 8个三元体系进行了热力学评估，获得了可靠的Gibbs自由能参数，建立了Al（铝）-RE（稀土）-AE（碱土金属）体系相图热力学数据库。 发展了结合最小驱动力法则和最小临界冷却速度来预测非晶形成能力的方法，利用上述热力学数据库计算了Al-Co-Gd、Al-Ni-Y、Al-Ni-Ba、Al-Ni-Zr等体系的液相结晶等驱动力面，运用最小驱动力准则，预测了这些体系具有最佳非晶形成能力的成分范围。运用JMAK方程计算了一系列Al-Co-Gd合金及不同Ca含量Al-Ni-Y-Ca合金的TTT曲线，得到了获得非晶最小临界冷却速度，找出了Al-Co-Gd体系和Al-Ni-Y-Ca体系最佳铝基非晶合金成分，并利用甩带法制备了Al-Ni-Y-Ca非晶合金，验证了上述计算结果。 上述研究成果对进一步开发具有更高非晶形成能力的铝基非晶合金材料具有重要参考价值。此外，本项目所构建了Al(铝）-TM（过渡金属）-RE（重稀土）-AE（碱土金属）体系多元相图热力学数据库，还可以用来研究稀土、碱土金属合金化对铝合金组织与性能的影响， 模拟铝合金在凝固与热处理过程中的组织演变；所提出的预测非晶形成能力的方法也可以用于其它合金体系非晶形成能力的预测。

《铝及铝合金铸轧成形与裂纹扩展》一书系统地研究分析了铝及铝合金铸轧成形与裂纹扩展规律及其影响因素。本书主要内容包括绪论、基于元胞自动机的铝铸轧微观数值模拟、基于有限元的铝铸轧成形过程数值模拟、基于损伤力学的铸轧辊辊套疲劳寿命研究、基于有限差分的铸轧过程铸嘴型腔流动数值模拟、铝铸轧过程试验研究、基于分子动力学的铝及铝合金裂纹扩展数值模拟、基于有限元的铝合金细观结构响应及裂纹扩展数值模拟、铝合金高温塑性变形条件下的变形机制。本书内容对研究铝及铝合金的铸轧成形与裂纹扩展，从而获得高质量的铝及铝合金产品具有较强的指导作用。