可铸耐热铝合金的相图与合金化研究

可铸耐热铝合金是目前铝合金研究的重要课题，加Sc后，形成具有L12结构的Al3Sc弥散强化相，可以有效的提高铝合金的耐热性，并且不影响其铸造性能，但Sc太贵，寻找其它合金元素，开发出不含Sc的可铸耐热铝合金具有重要的技术与经济价值。对在铝合金中加入其它元素能否具有与Sc类似的合金化效果，完全取代Sc，目前还存在争议。合金元素在铝基固溶体中的固溶度与富铝端的凝固反应性质（共晶还是包晶）成为选择合金元素的重要依据。本项目拟通过对Al-RE（RE=Y, Er ,Tm,Yb, Lu）二元相图富Al端和Al-RE-X （RE=Tb、Dy、Ho）（X= Zr、Hf）三元相图富Al角的精确测量，确定与L12相平衡时，Al基固溶体的溶解度随温度的变化；和上述三元系中，L12相与铝基固溶体构成的伪二元系中，凝固反应的性质（共晶还是包晶）。为可铸耐热铝合金的弥散强化相的选择与合金化元素的选择提供知识基础。

可铸耐热铝合金是目前铝合金研究的重点课题。添加Sc形成L12结构的Al3Sc弥散强化相可有效提高铝合金的的耐热性而且不影响铸造性能。然而Sc价格昂贵，寻找其他合金化元素来取代Sc具有重要的技术与经济价值。与Sc相似，在Al-RE (RE=稀土元素)二元系与Al-RE-X (RE=稀土元素; X=Zr, Hf) 三元系中存在稳定的或亚稳的L12三元化合物,因此研究这些体系的相图对寻找能全部或部分替代Sc的合金元素很有意义。. 本项目针对上述问题，采用合金法，通过SEM/EDX和XRD检测手段测量了Al-Dy-Zr三元系773 K等温截面，Al-Cu-Er三元系673 K富铝角等温截面以及Al-Sc-Zr、Al-Sc-Y、Al-Dy-Zr和Al-Gd-Zr三元系873 K等温截面。根据已有实验结果和评估的相图信息，将第一原理计算与CALPHAD方法相结合优化了Al-Cu-X (X=Er,Zr,Y)、Al-Sc-M(M=Zr,Y)、以及Al-Zr-RE (RE=Dy,Gd)体系相图。利用CALPHAD方法优化了Al和Zr原子在fcc_Al,bcc_Zr和hcp_Zr相中的原子移动性参数，建立了ZrAl3相平均互扩散系数与温度的关系并由此发现Zr中的微量杂质Fe可降低ZrAl3相生长速率。. 上述结果丰富了铝合金相图热力学与扩散动力学数据，为开发耐热铝合金提供了可靠的知识基础，研究所获得的相图作为标准相图被美国金属学会收录与发布，已发表论文11篇，其中9篇发表在国外知名刊物，研究成果达到国际先进水平。