合金元素和杂质元素在Al-Cu-Ce合金凝固细化机制中的作用

Solidification structure can be refined by adding rare earths to the Al melt, which is helpful for large ingots to inhibit segregation, eliminate stress and reduce thermal cracking tendency in the casting process. However, up to date, the mechanism of solidification refinement by rare earth addition is not completely clear. In this project, the Al-Cu-Ce alloys are used as research objects. The effects of common-used alloy elements (such as Mg, Mn, Zr, etc.) in 2xxx series aluminum alloy and different concentration levels of impurity elements (Fe, Si) on the mechanism of solidification refinement by Ce are planned to study. The precipitation behavior, composition and lattice structure of high melting point compounds containing Ce in the melt are investigated by synchrotron radiation SAXS, X-ray imaging, EDS, 3DAP and TEM, respectively. The lattice constants of high melting point compounds containing Ce and α-Al at 660 ℃ (theoretical melting point of Al) are calculated by first-principles molecular dynamics method, determining whether the compounds can be used as effective nucleation sites. The effects of concentration of the adding elements, the melt holding time and cooling rate on the morphology and size distribution of the effective nucleation sites are investigated using SAXS. This project seeks to clarify the effects of the alloy and impurity elements on the mechanism of the solidification refinement of Al-Cu-Ce alloys, and to promote effective applications of rare earth resources as well as the refinement method by their addition.

添加稀土可以细化铝合金的凝固组织，有助于在大型铸锭铸造过程中抑制元素偏析、消除内应力和减小热裂倾向。但是稀土凝固细化机制尚不完全明确。本项目以Al-Cu-Ce合金为研究对象，研究2xxx系铝合金中常见合金元素(如Mg、Mn、Zr等)及不同浓度水平的杂质元素(Fe、Si)在稀土Ce凝固细化机制中的作用。利用同步辐射SAXS和原位成像方法研究熔体中含Ce高熔点化合物的析出行为，利用EDS、3DAP、TEM研究高熔点化合物的成分和晶体结构；利用第一原理分子动力学方法计算660℃（Al的理论熔点）下含Ce高熔点化合物和α-Al的晶格常数，确定其是否具备作为有效形核核心的基本条件。采用SAXS方法研究元素浓度水平、保温时间和降温速度等因素对有效形核核心析出形态、尺寸分布的影响规律。本项目旨在明确Al-Cu-Ce合金凝固细化过程中合金元素和杂质元素的作用，促进稀土的有效利用和稀土细化方法的推广。

添加稀土可以细化铝合金的凝固组织，有助于在大型铸锭铸造过程中抑制元素偏析、消除内应力和减小热裂倾向。但是稀土凝固细化机制尚不完全明确, 尤其是对于Ce、La添加的铝合金更是如此。工程应用中的结果显示存在大量的不确定性，因此澄清这类稀土元素对铝合金凝固组织的细化机理就显得尤为重要。本项目主要研究了杂质元素Fe的含量以及Fe/Si元素之比对Al-Cu-Ce合金凝固细化的影响；合金元素Zr对Al-Cu-Ce合金凝固细化的影响；Ce、La对形核过程的作用本质；凝固条件特别是冷却速度对Al-Cu-Ce合金凝固细化影响规律的研究。研究发现合金元素和杂质元素对含稀土Ce/La铝合金的凝固细化作用并不明显。稀土Ce/La的细化能力强烈的依赖冷却速度。从本质上稀土Ce/La的添加抑制了铝熔体中的形核。但是在较快的冷却速度下，却可以通过抑制初期的形核提高熔体的过冷度，最终提高形核率，产生细化凝固组织的效果。从应用的角度，对于传统的半连续铸造方法，因为通常浇铸温度高于液相线数十度，且熔体体积大，整体冷却速度无法有效提高，因此通过添加稀土Ce/La细化晶粒并不适合。但是对于一些快速凝固技术，如增材制造中的3D激光打印以及喷射成型技术，添加稀土La/Ce的细化作用将较为明显。此外，稀土Ce/La与一些传统细化剂在快速凝固技术中的联用，也有很好的应用前景。