Ti和V对热浸镀55wt.%Al-Zn-Si镀层组织影响机理的热力学分析

Due to the rapid development of the constructions, home appliances and automotives, there is a increase demanding on quality and performance for hot-dip 55wt.%Al-Zn-Si continuous plated steels. The microstructure and properties of the hot-dip coated steels are mainly controlled by the composition of coating and produce process. When the produce process is fixed under actual condition, the effect of coating composition on microstructure and properties will stand out. In this project, the phase relationships of Al-Zn-Fe-M (M=Si, Ti and V) will be experimentally determined. CALPHAD technology is used to assess the phase equilibria in this system. Then the mechanism of microstructure changes caused by adding Si, Ti and V is analyzed. The assessed Al-Zn-Fe-Si-Ti-V system database could provide the optimal composition range of Si, Ti and V. The species, distribution and growth kinetics of the intermetallic compounds in the coating alloy and alloy layer are investigated by hot dipping simulation experiment and diffusion couple method. The influence of Ti and V on the formation and stability of the inhibition layer is obtained by analyzing the experimental results. This work is conducive to accumulate the thermodynamic and kinetic database of the Al-Zn coating system, guide the addition amount of alloy elements and clarify the formation mechanism of the coating microstructure.

由于建筑、家电和汽车等行业的飞速发展，对连续镀55wt.%Al-Zn-Si钢板的质量和性能要求越来越高。热浸镀层钢板的组织和性能主要由镀液成分和生产工艺决定，而在实际工艺条件固定的情况下，镀液成分对镀层组织和性能的影响就突显出来。本项目通过实验测定Al-Zn-Fe-M (M=Si、Ti和V)体系的相关系，用相图计算技术对该体系进行评估，确定富Al-Zn侧的热力学数据和相平衡关系，分析Si、Ti和V元素对镀层显微组织影响的机理。利用优化的Al-Zn-Fe-Si-Ti-V数据库，制定最佳Si、Ti和V的含量范围。通过连续热浸镀55wt.%Al-Zn-Si模拟实验和扩散偶实验研究镀层和合金层中金属间化合物种类、分布和生长的动力学，分析Ti和V对抑制层形成和稳定性的影响。这些工作的开展有利于积累Al-Zn镀层体系的热力学和动力学基础数据，理论上指导合金元素的添加量，澄清镀层显微组织形成机理。

本项目通过平衡合金和扩散偶实验结合热力学计算研究合金元素Ti、V、La等对合金层中物相种类、分布规律和稳定性的影响。原位同步辐射(SR-PXRD)结果显示Ti、V和La的引入可以抑制Fe4Al13相的生成，La的抑制作用大于Ti和V。X射线荧光显微分析(XFM)镀层板的截面成分分布，发现Ti在合金层中以颗粒状金属间化合物存在，在表层镀层中均匀分布，而La主要均匀分布于合金层中。热力学计算液-固反应合金层物相形成驱动力，分析金属间化合物Fe4Al13和Fe2Al5的形成的原因，结合第一性原理计算Si、Ti、V、La元素分别掺杂在Fe4Al13、Fe2Al5、Fe4Al13/Fe2Al5界面处的能量以及Al在Fe2Al5中的扩散能垒，结果说明Si、Ti、V易在Fe4Al13/Fe2Al5界面偏聚，而La对抑制Al在Fe2Al5中的扩散作用最强，因此Si、Ti、V、La都可以抑制合金层的生长，但是方式不同。通过实验测定Al-Zn-Fe-M(M= Si、Ti和V)体系的相平衡关系，结合第一性原理对物相生成焓的计算，用CALPHAD方法优化得到一套自洽且可靠的Al-Zn-Fe-M(M= Si、Ti和V)体系富Al-Zn侧热力学数据库，计算Ti、V对镀液中饱和Fe的溶解度和析出金属间化合物的影响规律，发现Ti和V添加导致镀液中有效Si含量降低，从而降低Fe的饱和溶解度，使镀液中析出更多的Fe4Al13，作为形核基底，细化锌花，但也导致镀液中锌渣增多。本项目对镀层中金属间化合物的结构、界面稳定性和镀液中相关系的热力学分析为实际热浸镀铝锌合金的成分优化和工艺改进提供理论指导。