《Al-Si-X-P系合金熔體AlP團簇吸附效應與不穩定性的研究》是依託山東大學，由劉相法擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：Al-Si-X-P系合金熔體AlP團簇吸附效應與不穩定性的研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉相法
- 依託單位：山東大學
- 批准號：51571133
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
本項目擬採用液態金屬結構分析儀與熔體熱物理性質測試儀等手段，並結合模擬計算，研究Al-Si-X-P系合金熔體AlP團簇的結構演變、吸附效應及其不穩定性。系統研究AlP團簇的構型及結構演變，揭示AlP團簇的吸附效應，即AlP團簇對Al-Si-X-P系合金熔體結構、熔體熱物理性質、熔體形核和晶體生長過程的影響機制，提出AlP團簇對Si相形核及生長的吸附機理。研究合金熔體成分、熔體狀態及外來界面對AlP團簇結構穩定性的影響，提出導致該團簇不穩定性的激發條件。研製彌散AlP型Al-P系晶種合金，提出綠色、高溫性能穩定化工藝，解決Al-Si-X-P系合金高溫性能不穩定的難題。開展該項研究有利於拓寬液態金屬結構的研究領域，揭示痕跡量元素構成的典型團簇對合金熔體凝固的顯著影響及磷變質初晶Si的機理，為工業條件下穩定控制熔體處理過程，提高凝固組織與性能的穩定性提供理論依據。
結題摘要
項目系統研究了Al-Si-X-P系合金熔體AlP團簇的結構特徵及其演變行為，揭示了熔體團簇與晶體“團簇”的結構相關性，提出了團簇穩定化方法；揭示了AlP團簇與外來界面間的強吸附效應和行為，以及對熔體結構、Si相生長機制的影響。基於此，研製出新型Al-P系晶種合金，並提出晶種技術。採用第一性原理對Al-P二元合金在高溫及快冷過程中的AlP團簇的結構演變進行研究，發現P原子可與Al形成AlnP（3≤n≤10）團簇，平均配位數為6.32，這與AlP晶體Al4P“團簇”表現出明顯差異，這是熔體團簇在降溫過程中發生結構演變的重要原因。AlP團簇表現出強大結晶能力，可通過Al原子橋接形成大團簇，向晶態結構方向演變。系統研究了Al-Si-X-P熔體中常見合金元素對AlP團簇不穩定性的影響，分為毒化元素、兩性元素和非毒化元素三大類。其中，Si原子可通過與合金元素（主要是兩性元素）結合形成穩定團簇，從而鈍化其對AlP團簇不穩定性的激發。利用Si的禁止效應對工業生產提供了技術指導，例如對於含有Mg的Al-Si合金，應首先將Mg加入熔體，待完全溶解後再進行磷變質處理。研究還發現，隨著AlP團簇濃度升高，AlP晶體出現孿晶結構比例增加，具有孿晶結構的Si相比例也隨之增加，IPF分析證明AlP對初晶Si的孿晶形成具有形貌模板作用；AlP還能通過多相傳遞異質形核影響Si相晶體生長、取向及形貌，如在Al-Si合金表面因“γ-Al2O3/AlP/Si”三相傳遞異質形核使得薄膜下富集大量以{111}為擇優取向的初晶Si，其中近共晶Al-Si合金表面初晶Si呈六角板片狀，而過共晶Al-Si合金中則為六稜錐或六稜台狀。此外，還系統研究了常見異質界面與AlP團簇之間的吸附效應及耦合行為，通過第一性原理計算證明AlN外露晶面(001)與(11(_)0)均能有效吸附AlP團簇，通過電荷轉移形成穩定結構，吸附能可達-8.79eV。基於以上研究，研製出了新型Al-P-N系晶種合金，提出了晶種技術，可顯著提高Al-Si系合金的金相等級、磷吸收率、力學性能及熱膨脹係數等，使A390合金初晶Si尺寸細化至30μm，相較於原始合金，抗拉強度提升34%，延伸率提升81%。新型Al-P-N系晶種合金已在多家鋁加工製造企業得到推廣，套用於高功率密度發動機用活塞的製造，顯著提高了活塞的綜合性能和服役壽命。
