磁場(chǎng)作用下二元鋁合金相圖及凝固行為基本信息

本項(xiàng)目主要研究直流磁場(chǎng)或不同頻率的交流磁場(chǎng)對(duì)鋁合金液相線、固相線及固溶度曲線的影響；不同溫度下鋁合金淬火試樣的微觀結(jié)構(gòu)、相組成、晶粒大小及形貌；磁場(chǎng)對(duì)鋁合金熔體結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)、磁流體力學(xué)、熱力學(xué)及冶金學(xué)理論，借助計(jì)算機(jī)模擬，分析磁場(chǎng)對(duì)金屬凝固的作用機(jī)制。相圖在材料研究的各個(gè)領(lǐng)域具有非常重要的作用，金屬在磁場(chǎng)作用下凝固時(shí)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件均發(fā)生改變，因此迫切需要對(duì)磁場(chǎng)作用下的相圖變化進(jìn)行研究，這一探索性工作具有首創(chuàng)性，并有望產(chǎn)生新工藝和新理論。金屬熔體是由大量帶電粒子組成的體系，它們?cè)谟袩o(wú)磁場(chǎng)作用下的行為有很大的差異。因此，本項(xiàng)目設(shè)想從考察鋁合金在磁場(chǎng)中的凝固行為入手，探索磁場(chǎng)作用下非平衡凝固的微觀本質(zhì)，這對(duì)深入了解磁場(chǎng)作用下材料組織性能變化的本質(zhì)和指導(dǎo)其工業(yè)應(yīng)用都有重要意義。這些研究將為材料電磁過(guò)程理論提供新的基礎(chǔ)知識(shí)。

快速凝固粉末鋁合金是快速凝固取得的最重要成果之一。美國(guó)材料咨詢局( NMAB)對(duì)先進(jìn)的快速凝固鋁合金的研究做了全面的評(píng)估，得出的結(jié)論是：(1)快速凝固粉末鋁合金的性能比傳統(tǒng)鑄錠冶金優(yōu)越得多；(2) 快速凝固粉末冶金鋁合金主要用于航空工業(yè)；(3)現(xiàn)行的有關(guān)相關(guān)系、顯微組織及結(jié)構(gòu)性能方面的知識(shí)不適用于快速凝固鋁合金。咨詢局的評(píng)估是對(duì)快速凝固鋁合金的研究、開發(fā)、試驗(yàn)與生產(chǎn)的有力支持，該報(bào)告特別指出應(yīng)進(jìn)行長(zhǎng)期、廣泛的基礎(chǔ)研究并制定發(fā)展規(guī)劃。

快速凝固鋁合金主要是在粉末高比強(qiáng)合金、粉末耐熱鋁合金、粉末高強(qiáng)鋁合金、粉末耐磨鋁合金方面取得了很多成果，特別是粉末耐熱鋁合金的成就令人矚目。

研究表明：強(qiáng)磁場(chǎng)影響了合金熔體中的原子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)及非晶合金的形成和晶化過(guò)程?；趶?qiáng)磁場(chǎng)對(duì)鐵磁性和非鐵磁性合金的影響機(jī)理可能不同，本項(xiàng)目以鋯基、稀土基及鐵基非晶合金為研究對(duì)象，利用微觀組織分析技術(shù)和相變理論來(lái)研究強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)合金凝固組織的影響，通過(guò)對(duì)比非晶樣品的室溫壓縮行為、泊松比、磁性能、低溫晶化行為等來(lái)分析強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)非晶合金區(qū)域性微結(jié)構(gòu)的影響，旨在建立非晶合金微觀組織及區(qū)域性微結(jié)構(gòu)與磁場(chǎng)條件、合金體系、冷卻方式等的聯(lián)系，明確強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)非晶合金的微觀組織及區(qū)域性微結(jié)構(gòu)的影響，了解強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)不同類型合金作用機(jī)制的異同，揭示強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)非晶合金形成的影響規(guī)律，達(dá)到利用強(qiáng)磁場(chǎng)來(lái)提高合金的非晶形成能力、調(diào)制非晶合金微結(jié)構(gòu)的目的，為利用強(qiáng)磁場(chǎng)改善塊體非晶合金性能和開發(fā)新材料提供基礎(chǔ)。

可鑄耐熱鋁合金是目前鋁合金研究的重點(diǎn)課題。添加Sc形成L12結(jié)構(gòu)的Al3Sc彌散強(qiáng)化相可有效提高鋁合金的的耐熱性而且不影響鑄造性能。然而Sc價(jià)格昂貴，尋找其他合金化元素來(lái)取代Sc具有重要的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。與Sc相似，在Al-RE (RE=稀土元素)二元系與Al-RE-X (RE=稀土元素; X=Zr, Hf) 三元系中存在穩(wěn)定的或亞穩(wěn)的L12三元化合物,因此研究這些體系的相圖對(duì)尋找能全部或部分替代Sc的合金元素很有意義。 本項(xiàng)目針對(duì)上述問(wèn)題，采用合金法，通過(guò)SEM/EDX和XRD檢測(cè)手段測(cè)量了Al-Dy-Zr三元系773 K等溫截面，Al-Cu-Er三元系673 K富鋁角等溫截面以及Al-Sc-Zr、Al-Sc-Y、Al-Dy-Zr和Al-Gd-Zr三元系873 K等溫截面。根據(jù)已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果和評(píng)估的相圖信息，將第一原理計(jì)算與CALPHAD方法相結(jié)合優(yōu)化了Al-Cu-X (X=Er,Zr,Y)、Al-Sc-M(M=Zr,Y)、以及Al-Zr-RE (RE=Dy,Gd)體系相圖。利用CALPHAD方法優(yōu)化了Al和Zr原子在fcc_Al,bcc_Zr和hcp_Zr相中的原子移動(dòng)性參數(shù)，建立了ZrAl3相平均互擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系并由此發(fā)現(xiàn)Zr中的微量雜質(zhì)Fe可降低ZrAl3相生長(zhǎng)速率。 上述結(jié)果豐富了鋁合金相圖熱力學(xué)與擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，為開發(fā)耐熱鋁合金提供了可靠的知識(shí)基礎(chǔ)，研究所獲得的相圖作為標(biāo)準(zhǔn)相圖被美國(guó)金屬學(xué)會(huì)收錄與發(fā)布，已發(fā)表論文11篇，其中9篇發(fā)表在國(guó)外知名刊物，研究成果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。