铝偏析法提纯中固液界面异质原子迁移行为

Segregation Method Purification is advanced technology with low cost and free pollution for aluminum refinement. However, the removal efficiency of impurities is far away from the expected value, which affects the wide utilization in aluminum industry seriously. In this project, the synchrotron radiation methods are employed to carry out the study of melt structure. The focus is the relationship between clusters and temperature in aluminum melt, the spacial occupation of impurities' atoms and the alien atoms' behavior, as well as in situ study of melt structure transition and impurities distribution in the zone in front of the S/L interface. Combined with Ab initio MD computation, in order to improve the purification efficiency, we look forward to clarify the priority and selectivity of bond between Al and impurities atoms, and the migrating behavior of impurity atoms at S/L interface, to unveil the mechanism of impurities distribution during liquid-solid phase transition and the external and internal influencing factors.

偏析法是一种低能耗、无污染的铝提纯方法，实际应用中杂质元素的去除效率偏离理论值较大，严重影响偏析法工艺的广泛应用。本项目拟从分析铝熔体的微观结构入手，利用从头算分子动力学计算研究异质原子在铝熔体中随温度下降成簇的特性，在熔体中的运动行为，探究铝原子与不同偏析特性的异质元素原子成簇的优先性和选择性；利用上海同步辐射光源的SAXS、WAXS、与微聚焦束线XRD和XAFS，原位分析铝熔体中微观结构的形状、尺寸及特征原子的空间结构特征，结合从头算分子动力学计算研究熔体中不同偏析特性的异质原子在液固相变过程中空间结构特性的变化规律，及其在固液界面处的迁移特性，阐明偏析发生的机制，分析影响偏析的因素，旨在揭示异质原子在固液界面处的迁移行为与偏析特性之间的关联关系，为开发新型偏析法提纯工艺奠定理论基础。

中文摘要.杂质原子在铝固液界面处的迁移行为是决定铝偏析法提纯效率的关键问题。本项目利用从头算分子动力学（AIMD）研究了不同类型溶质原子在铝熔体中的成簇行为，不同种类的溶质原子在熔体中的相互作用以及溶质原子与固液界面的相互作用。通过上海光源小角散射（SAXS）研究溶质元素在熔体中产生的相互作用对局域结构的影响，并通过定向凝固实验验证了熔体中溶质产生的相互作用对溶质分配系数的影响，提出了一种有效调控合金中目标元素分配系数的方法。由于溶质原子的偏析过程与其在熔体中的行为有极为密切的关系，本课题首先研究了Al-X二元铝熔体中不同杂质原子的局域结构随温度的变化趋势。研究发现，不同类型的溶质原子在熔体中的局域结构差异明显。通过研究杂质原子与固液界面的相互作用分析了其偏析的动力学过程。本课题还研究了Al基三元合金熔体中不同溶质间的相互作用以及相互作用对溶质原子的局域结构的影响，同时通过同步辐射光源对由相互作用导致的熔体结构的变化进行了表征。并通过定向凝固实验研究表明溶质间的强相互作用会减小溶质的分配系数。以此为基础，本项目提出了一种有效调控铝合金中目标溶质元素分配系数的办法，并验证了其可行性。