Sc2O3还原后Sc在Al-Sc合金中的存在形式与细化机制电子结构研究

本文主要探讨了Al-Sc中间合金中钪(Sc)的存在形式以及其细化机理的电子结构分析。作者李培杰、弭光宝等人在清华大学新材料国际研发中心和航天航空学院合作，通过实验制备了一种含Sc量为1.18%的Al-Sc中间合金。研究过程中，他们采用显微组织观察和能谱分析技术，发现Sc2O3在Al热还原反应后主要以金属间化合物Al3Sc的形式存在于合金中。 Sc2O3与铝的反应生成的Al3Sc相，其价电子结构的特性对于细化机理的研究至关重要。研究表明，Al-Sc合金中的Al-Sc强键和Al-Al次强键形成的原子集团容易形成所谓的“有效晶坯”，这导致凝固核心数量显著增加，从而细化了合金的晶粒结构。此外，Al3Sc相与α(Al)相之间的界面电子密度差异较大，这种界面效应起到了抑制晶粒生长的作用，进一步强化了细化效果。 钪元素在铝合金中的应用之所以独特，是因为它具有稀土金属和过渡族金属的双重性质，能同时发挥净化合金、改善铸锭组织和作为再结晶抑制剂的作用。在Al-Mg合金中，添加Sc可以显著提升材料的力学性能、耐热性、耐腐蚀性和焊接性，甚至有助于提高抗中子辐射损伤的能力。然而，Sc的高熔点（1541℃）使得直接添加到基体中困难，因此采用中间合金形式是常用方法。 对于Sc在铝合金晶粒细化中的作用，尽管少量Sc（小于0.55wt%）可能不如钛通过富铝端包晶反应机制的效果显著，但随着Sc含量的增加，其细化效果优于Ti，这涉及到复杂的富铝端共晶反应机制和晶格错配效应。传统的相图理论和晶体界面共格理论可能不足以完全解释Sc的细化机理，因此电子结构分析在这里扮演了关键角色，它揭示了合金内部微观结构与性能之间更为深入的联系。 本文通过电子结构分析，深入探讨了Sc在Al-Sc中间合金中细化机理的新理解，这对于优化Sc含量、设计新型含Sc铝合金以及提高其综合性能具有重要的科学价值。