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Al-Mg-Sc中间合金制备及其应用研究

姜锋

  在热力学计算与分析的基础上,研究了ScCl_3-KCl-NaCl-Mg(Al)及ScF_3-MX-Mg(Al)热还原法制备Al-Mg-Sc中间合金的两种新工艺。利用研制的中间合金制备了Al-5Mg-0.2Sc-0.1Zr、Al-4.8Zn-2.4Mg-0.25Sc-0.12Zr合金板材,通过对加钪和不加钪的合金组织与性能的对比研究,对Al-Mg-Sc中间合金的应用性能进行了评价。主要研究内容和结论如下:1.热力学计算结果表明,ScCl_3、ScF_3与Mg之间的还原反应热力学上是可行的,而Sc_2O_3与Mg的则不行。制备Al-Mg-Sc中间合金时应采用ScCl_3、ScF_3为原料,Mg为还原剂,在过量Al熔体中进行。还原产生的初生态Sc与Al形成稳定的Al_3Sc金属间化合物,金属热还原反应的△_rG_m~0(T)减少了-138KJ/mol。增加了反应体系的熵值,大大增加了金属热还原反应进行趋势。2.在温度为1100K的Al熔体中Mg热还原制备Al-Mg-Sc中间合金,当使用ScF_3为原料时,还原反应经验平衡常数计算值可达1.82×10~8。当采用ScCl_3为原料,在NaCl、KCl熔盐体系中进行还原时,还原反应经验平衡常数计算值可达10~3~10~5。3.热分析及X-衍射分析研究表明,ScCl_3·6H_2O加热时会逐步脱去结晶水并发生气相水解,形成ScOCl、Sc_2O_3,因此不能通过直接加热脱水制备无水ScCl_3。单独添加NaCl或KCl不能避免ScCl_3的气相水解,但添加NH_4Cl能有效抑制ScCl_3的水解。同时添加NH_4Cl、NaCl及KCl时还能使脱水、脱氨温度分别降低至206℃及338℃,熔盐的烧蚀温度提高至940℃,可有效避免熔盐的烧灼损失。在此基础上研究制定了Sc_2O_3盐酸溶解,添加适量NaCl、KCl及NH_4Cl后直接加热脱水熔融制备ScCl_3-NaCl-KCl熔盐的工艺。4.研究制定了ScCl_3-NaCl-KCl-Mg(Al)热还原制备Al-Mg-Sc中间合金的新工艺。最佳还原温度为850℃,还原时间为40min,熔盐中ScCl_3含量为25%mol,Sc收率>90%。XRD、SEM-EPS分析结果表明Sc在Al-Mg-Sc中间合金中主要以Al_3Sc形式存在。5.研究了Sc_2O_3-NH_4HF_2固相氟化及ScF_3-Mg热还原机理。结果表明Sc_2O_3与NH_4HF_2分解产生的HF反应生成ScF_3。ScF_3-Mg体系在590℃发生ScF_3(s)-Mg(s)固-固还原反应;740℃发生ScF_3(s)-Mg(l)固-液还原反应。ScF_3-LiF-Mg体系在496℃发生ScLiF_4(s)-Mg(s)固-固还原反应;650℃发生(ScF_3-LiF)-Mg(l)液-液还原反应。6.研究制定了ScF_3-MX熔盐Al熔体中Mg热还原制备Al-Mg-Sc中间合金中南大学博士学位论文摘要的新工艺。研究结果表明新工艺能制备Sc含量>l .swt%的Al·Mg一Sc中间合金,最佳的还原反应温度为1 100℃,还原时间40而n;二次还原后Sc收率>8O%。7.利用研制的Al一Mg·Sc中间合金制备成Al一Mg一0.2Sc合金时,晶粒细化效果不明显,但枝晶组织完全消除;制备成Al一Mg一ZSc一IZr合金时,铸态合金晶粒平均尺寸细化到42私m;制备成Al一SZn-2.4Mg-0.25Sc一0.12zr合金时,铸态合金晶粒平均尺寸细化到45奴m。表明研制的中间合金能作为Al一Mg和Al一zn·Mg基合金很好的变质细化剂。8.利用研制的Al一Mg-Sc中间合金制备的Al一SMg一0.2Sc一0.IZr合金不同处理态(热轧、冷轧及退火态)下。b比未添加Sc和Zr的Al一SMg合金分别增加84一138MPa,。。.:分别增加7卜154MPa,而塑性仍保持在较高的水平。制备的AI一4.szn一2.4Mg一o.25se一o.12zr合金ob和。。2分别达到500及465Mpa,比未添加se和zr的AI一4.szn一2.4Mg合金分别增加89及75Mpa,而塑性仅下降3.2%。说明研制的Al一Mg一Sc中间合金能作为Al一Mg及Al一Zn一Mg基合金很好的强化剂。9.微量sc在Al一Mg、Al一zn一Mg合金中,除少量固溶于a(Al)外,主要以两种析出的A13(Sc,zr)金属间化合物粒子的形式存在,其中一种为合金凝固过程中析出的一次A13(Sc,Zr)粒子,起非均质晶核的作用,可强烈细化合金的铸态晶粒组织,对合金造成细晶强化作用;另一种为均匀化处理过程中大量析出的二次A13(SC,zr)粒子,这种粒子细小、弥散分布在基体中且与基体共格。微量sc使Al·Mg、Al一zn一Mg合金的强度大大提高,合金的强化主要来源于初生A13(SC,zr)粒子引起的晶粒细化强化,次生A13sc粒子引起的析出强化和抑制再结晶引起的亚结构强化。……   
[关键词]:氯化钪;氟化钪;氧化钪金属热还原;熔盐;Al-Mg-Sc中间合金;Al-Mg-Sc-Zr;Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中南大学2002年