铝合金熔体杂质元素相互作用及偏析机理的研究

发布时间：2020-05-20 01:55

【摘要】：高纯金属特别是高纯铝(纯度5N)在新兴光电子、半导体和航空航天等工业中有重要且广泛的应用。精铝一般采用偏析法或三层液电解法制备,而由精铝制备高纯铝通常采用偏析法。相比于三层液电解法,偏析法具有能耗低、工艺设备简单、环境友好等诸多优点。偏析法制备高纯金属已经成为一种获取高纯金属的通用方法。但是,金属中平衡分配系数(k_0)大于1或接近于1的杂质元素不能或很难用偏析法去除。例如Al中的Ti、Cr、V元素k_01,Mn、Zn等元素k_0→1。若想采用偏析法有效去除这类杂质元素,就要改变这些元素在铝中的平衡分配系数。因此,有目的地调控(减小)特定杂质元素在铝中的平衡分配系数成为了利用偏析法高效去除杂质元素的关键。溶质元素的平衡分配系数是热力学参数,可以通过化学势的计算获得。一些研究已证实添加其他合金元素,可以通过元素间的相互作用可改变某一元素化学势从而改变其k_0。然而,这种相互作用导致的动力学机制还鲜有报道。对Al而言,其中所有杂质元素的平衡分配系数随原子序数增加呈周期性变化,这与杂质元素外围电子排布的周期性密切相关。为了研究原子外围电子排布对偏析的影响规律,本文选择了铝中常见合金元素聚集的第四周期过渡族元素(fourth period transitional metals,FPTMs)采用从头算分子动力学(ab initio molecular dynamics,AIMD)模拟研究了Al-X(X=第四周期过渡族金属元素)二元合金熔体的性质。分析了第四周期过渡族元素在熔体中与Al的相互作用和溶质元素k_0两种周期性关系间的关联以及溶质元素局域结构和迁移行为之间的关系。为了有效地去除k_01的元素,本文以V元素为例,利用AIMD方法研究了V元素在Al-X(X=Fe、Si、Zn、Ga)-V三元熔体中其他溶质元素与V元素之间产生的相互作用并结合定向凝固实验研究了原子间强相互作用对V元素偏析行为的影响规律,提出了一种有效调控铝合金中某种目标元素平衡分配系数的方法。通过晶体生长的模拟和Si-V原子成键后在界面前沿的模拟展示了偏析时溶质元素的迁移过程,阐明了溶质原子对界面影响的差异与其偏析特性间的对应关系。主要结论如下:(1)二元Al-X稀熔体的AIMD计算结果分析表明,溶质原子与Al原子间的相互作用有周期性,且其周围的局域熔体结构与其扩散有强相关性。Al-X间的相互作用随溶质元素原子序数的增加有周期性关系,且这种周期性关系与溶质元素k_0的的周期性关系呈反相关。在双体相关函数中,第一峰的强度代表Al-X间相互作用的强弱,峰强越高。团簇密度越大,则表明团簇内原子结合越紧密。对第四周期过渡族元素局域结构的计算表明,1551键对含量和溶质原子的扩散系数之间有密切关系。1551键对含量越高,溶质原子的迁移越困难,扩散越慢。1551键对含量可以作为考察溶质元素原子扩散的重要参考指标。(2)高浓度Al-X二元熔体的AIMD计算结果显示熔体中不同类型的杂质元素在熔体中的分散情况有较大差异。Cr,V等元素易于自身成键,同质原子偏聚在一起形成熔体的微观不均匀性,而Fe,Co和Ni则倾向于与Al原子成键而分散在熔体中。(3)晶体生长的模拟结果显示,不同偏析行为的溶质原子与固液界面的相互作用有明显差异。平衡分配系数较小的Fe原子明显抑制界面前沿的原子按晶体结构排列。Fe原子周围的熔体结构十分稳定其原子团簇内的Al原子脱开Fe原子按晶体结构排列所需能量较高(界面处Fe原子和与之配位的Al原子依然保持液相结构,使Fe原子更易于在界面前沿熔体中聚集)。平衡分配系数接近于1的Zn原子对界面的迁移没有产生明显的拖拽或促进作用,平衡分配系数远大于1的Ti会促进界面的迁移。(4)三元Al-Si-V熔体的模拟结果表明,熔体中溶质元素Si-V间的相互作用远强于溶剂Al与溶质元素间的相互作用。熔体中的Si-V键十分稳定。Si-V键键长约2.5?,Si-V产生相互作用的临界距离约为3.7?。在Al-V二元熔体中最强的V-V键会被加入的Si原子打破形成Si-V键。(5)Si-V原子对在固液界面前沿的模型计算结果显示,V原子有明显被Si原子向液相拖拽的倾向。定向凝固的实验结果表明,通过加入Si元素可有效调控V元素有效偏析系数。Si,V元素的有效分配系数都有下降。不同Si/V比,V元素的有效偏析系数的下降程度不同。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.21

【参考文献】