热浸镀Galfan合金过程中的热力学研究及相场模拟

The corrosion resistance, adhesion, toughness, resistance to kinking performance of Galfan coatings, which consist of Zn-5wt.%Al-0.03～0.1wt.% rare earth elements, are much better than a relatively thicker general galvanizing coating. The Galfan coating can be applied in all field of the general galvanized products. But there is no thermodynamic investigation about the interface reaction of hot dip Galfan alloy till now. This work will experimentally determine the phase equilibria of the Zn-Al-M (M=La,Ce) and the Zn-Fe-M(M=La,Ce) ternay systems and the Zn-Al-Fe-M(M=La,Ce) quaternary systems. First principle calculations will performed to obtain thermochemical properties of the ternary compounds. Then, the ternay system will be thermodynamically assessed. At last, the interface reaction during hot-dip Galfan alloys will be thermodynamically analyzed, and the solidification process of free zinc layer will be simulated using phase-field model. These investigations are very important for optimizing the process of hot dip Galfan alloys and promoting the development of hot-dip Galfan alloys.

添加0.03-0.1wt.%稀土元素的Zn-5wt.%Al合金（Galfan）镀层的耐蚀性、结合力、韧性、抗扭折性能都明显优于具有比较厚的热镀锌镀层，且可应用于目前普通镀锌产品的一切应用领域。但是目前还没有热浸镀Galfan合金的界面反应的热力学研究。本课题采用实验方法测定Zn-Al-M（M=La,Ce）和Zn-Fe-M（M=La,Ce）三元系以及Zn-Al-Fe-M （M=La, Ce）四元系相关系，利用第一性原理方法计算获得各三元化合物的热化学性质，并通过热力学评估获得描述这些体系的热力学模型参数。然后在此基础之上，对热浸镀Galfan合金的界面反应进行热力学分析，并用相场法模拟自由锌层的凝固过程。为优化热浸镀Galfan合金生产工艺奠定坚实的基础，对促进热浸镀Galfan合金的发展具有十分重要意义。

通过本项目的执行，实验测定了Zn-Al-Ce、Zn-Al-La、Zn-Fe-Ce和Zn-Fe-La等三元系450℃和600℃的相平衡关系，获得了Zn含量为95wt.%的Zn-Al-Fe-Ce四元系450℃相平衡关系，确定了Al2CeZn2和Al2LaZn2两个三元化合物的成分范围和晶体结构，实验测定了Al在Zn-Ce、Zn-La、Fe-Ce、Fe-La等化合物中和Fe在Zn-Ce和Zn-La的溶解度；收集了Zn-Al-Ce体系中三元化合物的晶体学数据，通过第一性原理计算方法获得了这些化合物的热力学性质，对Zn-Al-Ce三元系进行了热力学评估，获得了描述该体系的热力学模型参数；收集了Zn-Fe-La和Zn-Fe-Ce三元化合物的热化学数据，结合实验结果通过热力学计算获得了描述这两个体系的热力学模型参数。还实验研究了冷却条件和稀土元素（La和Ce）对Galfan合金显微组织、力学性能及耐蚀性的影响；实验研究了稀土元素对热浸镀Galvalume合金的界面反应的影响，并结合相平衡关系及扩散通道理论对其进行了热力学分析，解释了稀土元素对镀层组织的影响机理，为优化钢件热浸镀Galfan 合金生产工艺奠定了理论基础。此外，在项目的执行过程中，还对Zn-Sn-V、Zn-Si-V等体系的相关系进行了实验测定，对TiCu/Zn扩散的界面反应进行了研究。课题组按年度计划完成了相应的研究工作。在研究期限内，培养硕士研究生4人。发表已标注的论文12篇，其中SCI收录9篇，EI收录11篇；申请国家发明专利5件，获授权3件。