电解-熔炼高品质Al-Sc-(Zr)合金界面反应及传输过程超声协同机制研究

The is proposal to aim at the urgent need for high quality Al-Sc-(Zr) master alloy in advanced technology applications, and the research focus is on the Sc(Zr) segregation of Al-Sc-(Zr) master alloy, based on a hypothesis of Sc(Zr) segregation mechanism originated from the forming kinetics and transfer behavior of primary AlSc(Zr) particles near the reaction interface. This result will reveal the physical and chemical nature of evolutional of primary AlSc(Zr) particles segregation by studying the phase structure evolution and space distribution in Al matrix, and provide better understanding the ultrasonic synergic mechanism on the interfacial reactions and mass transfer. Finally, the obtained results can provide the fundamental and a technical prototype of ultrasound synergic molten salt electrolysis integrating with smelting and refining for making high quality Al-Sc-(Zr) master alloy.

本项目紧密围绕高品质Al-Sc-(Zr)中间合金的需求，针对熔盐电解Al-Sc-(Zr)中间合金Sc(Zr)偏析技术瓶颈问题，提出基于界面反应初生AlSc(Zr)相质点形成及迁移行为导致终态Sc(Zr)偏析及构建超声驱动机制的科学问题，通过研究不同电解电位下熔盐-Al液界面反应的初生AlSc(Zr)相结构、演变及在铝基体中的空间分布规律，揭示AlSc(Zr)相质点偏聚现象的起源、演变的物理化学本质，阐明熔盐-Al液界面反应及传输过程中超声协同驱动的作用机制，综合优化组合超声和电解参数，构建超声协同熔盐电解-熔炼高品质Al-Sc-(Zr)中间合金的一体化制备技术原型及相应理论基础。

含Sc轻量化高性能铝合金在航天航空新材料及新能源等新兴战略产业中备受国内外关注。本项目面向国家发展先进制造（中国制造2025）和冶金工业转型升级的重大战略需求，针对现行Al-Sc合金工艺存在流程长、金属损失高、品质不均的技术瓶颈，通过对熔盐-Al液界面反应的初生AlSc相结构、演变及在铝基体中的空间分布规律的系统研究，获得了围绕初生AlSc相结晶形成与长大动力学特征的含Sc相偏聚行为及超声协同机制。研究结果表明：提高电流密度和延长电解时间有利于钪含量的增加，增加氧化钪浓度和电解温度也有类似效果；同时观察到显著的钪偏聚行为，在所制备合金的边部钪含量可高达1.09 wt.%，而心部钪含量仅有0.24 wt.%；冷却速率对初生Al3Sc的形态和大小有很大影响，但对Sc偏聚的影响很小；在慢冷却速率下，初生Al3Sc由合金边部向中心发育长大至巨大树枝晶状，初级和次级树枝状臂分别可以长达600和250 μm；在快冷却速率下，初生Al3Sc呈立方颗粒状；Sc偏聚行为是由于Sc在Al熔体中有限扩散系数导致在“近球形”电解质/Al放电界面形成富Sc层，从而为大树枝状初生Al3Sc的生长提供有利条件。超声波可以显着提高电解Al-Sc合金中的Sc含量，由0.82 wt.%增加至1.43 wt.％。超声波可以消除改善熔盐/液体铝界面（放电界面）周围的Sc溶质偏聚，促进均匀分布。巨大的初级Al3Sc相团簇通过超声波转化为细小立方体颗粒。平均粒径从77±36μm降低至21±8μm。初生Al3Sc细化机制主要与超声空化的促进成核和初级相的碎裂有关。采用超声协同熔盐电解法制备Al-Si-Sc三元合金，合金中的第二相（AlSi2Sc2）显著细化，且该相形貌由粗大的网状团簇转变为细小的短棒状，共晶硅团簇尺寸显著降低，AlSi2Sc2相形态的改变可以显著减弱应力集中，进而改善合金的性能，为超声协同熔盐电解一体化制备含钪铝基合金技术提供重要参考。