可鑄耐熱鋁合金的相圖與合金化研究

可鑄耐熱鋁合金是目前鋁合金研究的重點課題。添加Sc形成L12結(jié)構(gòu)的Al3Sc彌散強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價格昂貴，尋找其他合金化元素來取代Sc具有重要的技術(shù)與經(jīng)濟價值。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尋找能全部或部分替代Sc的合金元素很有意義。 本項目針對上述問題，采用合金法，通過SEM/EDX和XRD檢測手段測量了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)已有實驗結(jié)果和評估的相圖信息，將第一原理計算與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相中的原子移動性參數(shù)，建立了ZrAl3相平均互擴散系數(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相生長速率。 上述結(jié)果豐富了鋁合金相圖熱力學(xué)與擴散動力學(xué)數(shù)據(jù)，為開發(fā)耐熱鋁合金提供了可靠的知識基礎(chǔ)，研究所獲得的相圖作為標準相圖被美國金屬學(xué)會收錄與發(fā)布，已發(fā)表論文11篇，其中9篇發(fā)表在國外知名刊物，研究成果達到國際先進水平。

可鑄耐熱鋁合金是目前鋁合金研究的重要課題，加Sc后，形成具有L12結(jié)構(gòu)的Al3Sc彌散強化相，可以有效的提高鋁合金的耐熱性，并且不影響其鑄造性能，但Sc太貴，尋找其它合金元素，開發(fā)出不含Sc的可鑄耐熱鋁合金具有重要的技術(shù)與經(jīng)濟價值。對在鋁合金中加入其它元素能否具有與Sc類似的合金化效果，完全取代Sc，目前還存在爭議。合金元素在鋁基固溶體中的固溶度與富鋁端的凝固反應(yīng)性質(zhì)（共晶還是包晶）成為選擇合金元素的重要依據(jù)。本項目擬通過對Al-RE（RE=Y, Er ,Tm,Yb, Lu）二元相圖富Al端和Al-RE-X （RE=Tb、Dy、Ho）（X= Zr、Hf）三元相圖富Al角的精確測量，確定與L12相平衡時，Al基固溶體的溶解度隨溫度的變化；和上述三元系中，L12相與鋁基固溶體構(gòu)成的偽二元系中，凝固反應(yīng)的性質(zhì)（共晶還是包晶）。為可鑄耐熱鋁合金的彌散強化相的選擇與合金化元素的選擇提供知識基礎(chǔ)。

鋁基非晶合金的非晶形成能力差已成為其應(yīng)用的主要障礙，利用Ca、Sr、Ba微合金化有可能成為提高其非晶形成能力的重要途徑。由于Al基非晶合金的特點，許多預(yù)測其它非晶合金的非晶形成能力的經(jīng)驗方法并不適用于Al基非晶合金，Al基非晶合金的非晶形成能力需要結(jié)合結(jié)晶熱力學(xué)與動力學(xué)進行預(yù)測，準確的相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫是這一預(yù)測方法的基礎(chǔ)。本項目擬綜合運用平衡合金法、擴散多元結(jié)和相圖熱力學(xué)計算方法，系統(tǒng)研究Al-(Ni,Co)-(Y,Gd)-（Ca,Sr,Ba）多元相圖，建立相應(yīng)的相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，計算該體系不同成分合金的結(jié)晶驅(qū)動力、熔化焓和熔化溫度，并結(jié)合表面能和粘度計算的經(jīng)驗公式，運用JMAK方程計算出不同合金的等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線（TTT曲線）和制備非晶所需的臨界冷卻速度，探討Ca、Sr、Ba微合金化對鋁基非晶合金非晶形成能力的影響，預(yù)測微合金化最佳成分范圍，為鋁基非晶合金制備提供關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

鋁基非晶合金的非晶形成能力差已成為其應(yīng)用的主要障礙，利用Ca、Ba微合金化有可能成為提高其非晶形成能力的重要途徑。由于Al基非晶合金的特點，許多預(yù)測其它非晶合金的非晶形成能力的經(jīng)驗方法并不適用于Al基非晶合金，Al基非晶合金的非晶形成能力需要結(jié)合結(jié)晶熱力學(xué)與動力學(xué)進行預(yù)測，準確的相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫是這一預(yù)測方法的基礎(chǔ)。 本項目運用合金法測量了Al-Co-Y三元體系 1173K、Al-Ni-Ca 三元體系673 K與873 K、Al-Ca-Y三元體系873 K、Al-(Y,Gd,Dy)-Zr 三元系873K與Al-Cu-Nd 673K的等溫截面；結(jié)合第一原理計算的化合物的形成焓對Al-Ba、Al-Gd、Gd-Zr 3個二元體系和Al-Co-Gd、Al-Ni-Ca、Al-Ni-Ba、Al-(Y,Gd,Dy)-Zr、Al-Cu-(Nd,Yb) 8個三元體系進行了熱力學(xué)評估，獲得了可靠的Gibbs自由能參數(shù)，建立了Al（鋁）-RE（稀土）-AE（堿土金屬）體系相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫。 發(fā)展了結(jié)合最小驅(qū)動力法則和最小臨界冷卻速度來預(yù)測非晶形成能力的方法，利用上述熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫計算了Al-Co-Gd、Al-Ni-Y、Al-Ni-Ba、Al-Ni-Zr等體系的液相結(jié)晶等驅(qū)動力面，運用最小驅(qū)動力準則，預(yù)測了這些體系具有最佳非晶形成能力的成分范圍。運用JMAK方程計算了一系列Al-Co-Gd合金及不同Ca含量Al-Ni-Y-Ca合金的TTT曲線，得到了獲得非晶最小臨界冷卻速度，找出了Al-Co-Gd體系和Al-Ni-Y-Ca體系最佳鋁基非晶合金成分，并利用甩帶法制備了Al-Ni-Y-Ca非晶合金，驗證了上述計算結(jié)果。 上述研究成果對進一步開發(fā)具有更高非晶形成能力的鋁基非晶合金材料具有重要參考價值。此外，本項目所構(gòu)建了Al(鋁）-TM（過渡金屬）-RE（重稀土）-AE（堿土金屬）體系多元相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，還可以用來研究稀土、堿土金屬合金化對鋁合金組織與性能的影響， 模擬鋁合金在凝固與熱處理過程中的組織演變；所提出的預(yù)測非晶形成能力的方法也可以用于其它合金體系非晶形成能力的預(yù)測。

《鋁及鋁合金鑄軋成形與裂紋擴展》一書系統(tǒng)地研究分析了鋁及鋁合金鑄軋成形與裂紋擴展規(guī)律及其影響因素。本書主要內(nèi)容包括緒論、基于元胞自動機的鋁鑄軋微觀數(shù)值模擬、基于有限元的鋁鑄軋成形過程數(shù)值模擬、基于損傷力學(xué)的鑄軋輥輥套疲勞壽命研究、基于有限差分的鑄軋過程鑄嘴型腔流動數(shù)值模擬、鋁鑄軋過程試驗研究、基于分子動力學(xué)的鋁及鋁合金裂紋擴展數(shù)值模擬、基于有限元的鋁合金細觀結(jié)構(gòu)響應(yīng)及裂紋擴展數(shù)值模擬、鋁合金高溫塑性變形條件下的變形機制。本書內(nèi)容對研究鋁及鋁合金的鑄軋成形與裂紋擴展，從而獲得高質(zhì)量的鋁及鋁合金產(chǎn)品具有較強的指導(dǎo)作用。