Al-Si-X-P系合金熔体AlP团簇吸附效应与不稳定性的研究

The project is proposed to investigate the adsorption effect, structural evolution and instability of AlP clusters in Al-Si-X-P alloy melts through measurements of liquid metal structures (X-ray diffraction, etc.) and thermophysical properties of alloy melts combined with theoretical simulations. We will systematically study the geometrical configurations and structural evolution of AlP clusters and especially their adsorption function, and the influences of them on melt structures, thermophysical properties and solidification process of Al-Si-X-P alloys in order to reveal the adsorption mechanism of AlP clusters during the nucleation and growth of Si phase. The influences of alloy compositions, melt states and foreign substrates on the structural stability of AlP clusters will also be investigated, in order to establish the excitation conditions resulting in the instability of AlP clusters. Meanwhile, series of Al-P based alloys with dispersive AlP microcrystals/nanoclusters and an environmentally friendly modifying technology with elevated temperature stabilization will be developed to get over the instability problem of Al-Si-X-P alloys at high temperatures. This project is beneficial to broaden the research field of liquid metal structures, further understand the significant influence of typical clusters which are composed of trace elements on the alloy solidification and to reveal the deep modification mechanisms of Si by AlP. Thus, it will provide theoretical basis for controlling the melt treatment process and improving the stability of favorable solidification microstucture and properties in industrial conditions.

本项目拟采用液态金属结构分析仪与熔体热物理性质测试仪等手段，并结合模拟计算，研究Al-Si-X-P系合金熔体AlP团簇的结构演变、吸附效应及其不稳定性。系统研究AlP团簇的构型及结构演变，揭示AlP团簇的吸附效应，即AlP团簇对Al-Si-X-P系合金熔体结构、熔体热物理性质、熔体形核和晶体生长过程的影响机制，提出AlP团簇对Si相形核及生长的吸附机理。研究合金熔体成分、熔体状态及外来界面对AlP团簇结构稳定性的影响，提出导致该团簇不稳定性的激发条件。研制弥散AlP型Al-P系晶种合金，提出绿色、高温性能稳定化工艺，解决Al-Si-X-P系合金高温性能不稳定的难题。开展该项研究有利于拓宽液态金属结构的研究领域，揭示痕迹量元素构成的典型团簇对合金熔体凝固的显著影响及磷变质初晶Si的机理，为工业条件下稳定控制熔体处理过程，提高凝固组织与性能的稳定性提供理论依据。

项目系统研究了Al-Si-X-P系合金熔体AlP团簇的结构特征及其演变行为，揭示了熔体团簇与晶体“团簇”的结构相关性，提出了团簇稳定化方法；揭示了AlP团簇与外来界面间的强吸附效应和行为，以及对熔体结构、Si相生长机制的影响。基于此，研制出新型Al-P系晶种合金，并提出晶种技术。采用第一性原理对Al-P二元合金在高温及快冷过程中的AlP团簇的结构演变进行研究，发现P原子可与Al形成AlnP（3≤n≤10）团簇，平均配位数为6.32，这与AlP晶体Al4P“团簇”表现出明显差异，这是熔体团簇在降温过程中发生结构演变的重要原因。AlP团簇表现出强大结晶能力，可通过Al原子桥接形成大团簇，向晶态结构方向演变。系统研究了Al-Si-X-P熔体中常见合金元素对AlP团簇不稳定性的影响，分为毒化元素、两性元素和非毒化元素三大类。其中，Si原子可通过与合金元素（主要是两性元素）结合形成稳定团簇，从而钝化其对AlP团簇不稳定性的激发。利用Si的屏蔽效应对工业生产提供了技术指导，例如对于含有Mg的Al-Si合金，应首先将Mg加入熔体，待完全溶解后再进行磷变质处理。研究还发现，随着AlP团簇浓度升高，AlP晶体出现孪晶结构比例增加，具有孪晶结构的Si相比例也随之增加，IPF分析证明AlP对初晶Si的孪晶形成具有形貌模板作用；AlP还能通过多相传递异质形核影响Si相晶体生长、取向及形貌，如在Al-Si合金表面因“γ-Al2O3/AlP/Si”三相传递异质形核使得薄膜下富集大量以{111}为择优取向的初晶Si，其中近共晶Al-Si合金表面初晶Si呈六角板片状，而过共晶Al-Si合金中则为六棱锥或六棱台状。此外，还系统研究了常见异质界面与AlP团簇之间的吸附效应及耦合行为，通过第一性原理计算证明AlN外露晶面(001)与(11(_)0)均能有效吸附AlP团簇，通过电荷转移形成稳定结构，吸附能可达-8.79eV。基于以上研究，研制出了新型Al-P-N系晶种合金，提出了晶种技术，可显著提高Al-Si系合金的金相等级、磷吸收率、力学性能及热膨胀系数等，使A390合金初晶Si尺寸细化至30μm，相较于原始合金，抗拉强度提升34%，延伸率提升81%。新型Al-P-N系晶种合金已在多家铝加工制造企业得到推广，应用于高功率密度发动机用活塞的制造，显著提高了活塞的综合性能和服役寿命。