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(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)上述問題，采用合金法，通過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。

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(qiáng)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(jì)價(jià)值。對(duì)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(zhēng)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(xiàng)目擬通過對(duì)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(cè)量，確定與L12相平衡時(shí)，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(qiáng)化相的選擇與合金化元素的選擇提供知識(shí)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(diǎn)，許多預(yù)測(cè)其它非晶合金的非晶形成能力的經(jīng)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)進(jìn)行預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確的相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫是這一預(yù)測(cè)方法的基礎(chǔ)。本項(xiàng)目擬綜合運(yùn)用平衡合金法、擴(kuò)散多元結(jié)和相圖熱力學(xué)計(jì)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(jì)算該體系不同成分合金的結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力、熔化焓和熔化溫度，并結(jié)合表面能和粘度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式，運(yùn)用JMAK方程計(jì)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(duì)鋁基非晶合金非晶形成能力的影響，預(yù)測(cè)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(diǎn)，許多預(yù)測(cè)其它非晶合金的非晶形成能力的經(jīng)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)進(jìn)行預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確的相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫是這一預(yù)測(cè)方法的基礎(chǔ)。 本項(xiàng)目運(yùn)用合金法測(cè)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(jì)算的化合物的形成焓對(duì)Al-Ba、Al-Gd、Gd-Zr 3個(gè)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(gè)三元體系進(jìn)行了熱力學(xué)評(píng)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(dòng)力法則和最小臨界冷卻速度來預(yù)測(cè)非晶形成能力的方法，利用上述熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫計(jì)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(dòng)力面，運(yùn)用最小驅(qū)動(dòng)力準(zhǔn)則，預(yù)測(cè)了這些體系具有最佳非晶形成能力的成分范圍。運(yùn)用JMAK方程計(jì)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(yàn)證了上述計(jì)算結(jié)果。 上述研究成果對(duì)進(jìn)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(jià)值。此外，本項(xiàng)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(duì)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(cè)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(cè)。

《鋁及鋁合金鑄軋成形與裂紋擴(kuò)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(kuò)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(dòng)機(jī)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(dòng)數(shù)值模擬、鋁鑄軋過程試驗(yàn)研究、基于分子動(dòng)力學(xué)的鋁及鋁合金裂紋擴(kuò)展數(shù)值模擬、基于有限元的鋁合金細(xì)觀結(jié)構(gòu)響應(yīng)及裂紋擴(kuò)展數(shù)值模擬、鋁合金高溫塑性變形條件下的變形機(jī)制。本書內(nèi)容對(duì)研究鋁及鋁合金的鑄軋成形與裂紋擴(kuò)展，從而獲得高質(zhì)量的鋁及鋁合金產(chǎn)品具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。