Galvalume界面反应及相关合金体系相平衡的研究

Galvalume（55%Al-Zn-Si合金镀层）兼具铝的耐久保护特性和锌的阴极保护特性，近年来发展迅速。但是，其熔池中形成的锌渣严重影响到镀层质量和生产效率。在熔池中添加其它组元M是解决这一问题的可能方法。组元M的添加使熔池和钢基间的界面反应变得非常复杂，目前，界面反应机理以及合金元素对金属间化合物生长的影响还不清楚。因此，为掌握镀层生长规律,获得高质量镀层组织，本研究将收集整理Al-Zn-Fe-M(M=Mg,Cu,Ti)多元体系的热化学数据，实验测定相关体系600℃等温截面中的相平衡，热力学评估Galvalume合金体系，确定体系的热力学描述。结合热浸镀和扩散偶实验，研究合金镀层生长动力学，建立界面反应模型，研究合金元素对界面反应的影响以及对金属间化合物形成的作用。本研究对提高Galvalume镀层质量，促进我国热浸镀工业的发展具有重要作用。

为理解铝锌熔池及钢基体中合金元素M对熔池和钢基间界面反应以及镀层生长动力学的影响，对Zn-Fe-Al-M四元系及相关三元系的相关系进行了实验测定，对部分体系进行了热力学计算。. 在Zn-Fe-Cu、Zn-Fe-Zr、Zn-Fe-Mg、Zn-Fe-V三元系中均发现了新的三元相。三元相的形成对热浸镀组织影响较大。如，锌池中添加一定量的钒，三元化合物T相取代ζ相成为与液锌平衡的化合物，同时，钒与硅有较强的亲和力，镀锌反应的扩散通道向富硅角偏离程度减小，只要扩散通道不偏离ζ+T+Liq三相区，ζ或ζ+T 层就可以形成阻挡层，有效地抑制硅反应性的发生，控制 Fe-Zn合金层的生长。而Zn-Fe-Al-Bi、Zn-Fe-Sn、Zn-Al-Sb、Zn-Al-P等体系中均没有新相的出现。. 实验测试并热力学评估了V-Zn体系，热力学评估结果和实验结果吻合良好。用CALPHAD技术对Zn-Al-Sb三元系进行了计算，所获得的热力学参数与实验结果一致。. 采用长毛细管扩散偶方法测量了热浸镀锌温度下铝在锌液中的扩散系数，预测了Al的扩散系数，推导了一个用于计算液态金属非纯杂质的扩散系数的半经验公式。用分子动力学计算了铝在锌液中的扩散系数。实验值和预测值以及分子动力学模拟结果吻合良好。. 通过热浸镀，获得了合金元素M对镀层组织的影响规律。Galvalume熔池中铜和硅的协同加入能有效控制铁铝反应。铜促使硅在反应区域富集，使τ5相形成，并抑制Fe2Al5的生长。加入0.5–1.0 wt.%Cu能使扩散通道处于稳定状态。熔池中的钛起到了细化外层枝晶的作用，但是钛促进了合金层Fe2Al5的生长。在含铝量较高的铝锌池中加镁，也可以细化枝晶晶粒，但是当镁量达0.3%时，镀层中呈现FeAl3与自由层交替生长的周期组织，导致镀层很厚。熔池中少量硅能够有效抑制Zn-15%Al熔池与铁基间的界面反应，使合金层厚度急剧降低。当硅量较多时，合金层中形成FeAlSi三元化合物，甚至在自由层中形成硅的单质。硅在0.05-2%的范围内，铁铝合金层均符合扩散生长规律。当添加0.6%的硅时，抑制铁铝生长的效果较好，表面质量也较好。根据Al-Zn-Fe-Si体系中Al:Zn为55:45的成分截面在不同温度下的相平衡关系可知，为减少Galvalume熔池中的渣量，需提高硅量至1.8wt.%。