刘轩等：电解制备含钪铝合金三元相超声细化机制 1471 (b) (c) Laud Al Liquid Al ASI Al-Si Al-Cu nd a Sc solute Without ultras Se solute Dendritic Al.Sc Hollow AlSiSc 钟Cluster AlCuSc Al-Si Peritectic reaction AFCu Pre-solidification Solidification L+ASc→AlSiSc/AlCuSc Interface Cubic Al.Sc Hollow AlSiSc Molten salt Sc solute Cluster AlCuSc Molten salt electrolysis Ternary phase (d) (e) +·Liquid A ithout ultrasound Al-Si AlSi AH-Cu Al-Cu -b Uniform Al Sc nuclei 图9熔盐电解含Sc铝合金三元相超声协同细化机制示意图 Fig.9 Schematic for the ultrasonic refining mechanism of the ternary phase in the Al-Sc based alloys by molten salt electrolysis 因此可以观察到三元含钪相包覆初生AlSc相现 协同作用在电解后凝固过程效果最为突出，这可 象，如图7所示.最终导致粗大空心菱形三元AlSiSc 能与长时间电解过程中上述超声机制具有一定时 相和团簇状AlCuSc相生成，如图9(c)所示.由此 效性有关P 可见，粗大AlSc相可诱导三元含钪相粗化.对于 AlCuSc团簇相而言，其生长发育过程也与共晶反 3结论 应有关.在凝固后期，包晶AICuSc相包覆AlSc相 (1)熔盐电解制备Al-Si-Sc和Al-Cu-Sc合 随着固液界面前沿推进被推挤至剩余富含溶质液 金中，超声协同作用促使三元AlSiSc相由菱形管 相中，进而经共晶反应生成的AlCuSc围绕包晶 状转变为细小实心方棒状，其尺寸由205减小到 A1CuSc相析出，形成较大团簇结构 约40m;超声协同可显著细化三元A1CuSc相团 超声因其特殊物理化学效应（如声流和空化 簇尺寸，由约100减小至约30μm. 效应)2，可强化液态铝阴极内部传质与传输， (2)超声协同细化三元含钪相机制主要与其 大幅消除钪溶质分布不均现象，抑制粗大初生 提高初生AlSc相形核率从而使其细化并均匀分 AlSc相析出：另一方面，超声通过空化效应提高 布有关，三元含钪相以此为基底形核长大，最终得 熔体中杂质粒子表面活性，使其可作为初生 以细化；同时超声也可促进合金溶质均匀分布，抑 AlSc相形核基底，导致空化诱导Al3Sc形核，增加 制粗大Al3Sc相析出 形核率，有利于增多初生A1Sc相细化晶核，同时 (3)电解后合金凝固阶段，超声协同细化三元 超声与熔体交互作用产生熔体对流26-2刃，促进已 含钪相效果更为显著，表明超声细化机制主要作 形核晶核均匀分布，如图9()所示.另外，凝固过 用于凝固阶段 程中，局部区域出现较大初生Al,Sc相也会在超声 空化冲击作用进一步破碎细化因此，超声协同 参考文献 电解过程中，液态阴极熔体内部细小初生A1Sc有 [1]Tian S K,Li J Y,Zhang J L,et al.Effect of Sc on the 利于三元含钪相细化，如图9（ε）所示.另外，超声 microstructure and properties of 7056 aluminum alloy.ChinJEng.因此可以观察到三元含钪相包覆初生 Al3Sc 相现 象，如图 7 所示. 最终导致粗大空心菱形三元 AlSiSc 相和团簇状 AlCuSc 相生成，如图 9（c）所示. 由此 可见，粗大 Al3Sc 相可诱导三元含钪相粗化. 对于 AlCuSc 团簇相而言，其生长发育过程也与共晶反 应有关. 在凝固后期，包晶 AlCuSc 相包覆 Al3Sc 相 随着固液界面前沿推进被推挤至剩余富含溶质液 相中，进而经共晶反应生成的 AlCuSc 围绕包晶 AlCuSc 相析出，形成较大团簇结构. 超声因其特殊物理化学效应（如声流和空化 效应）[24−25] ，可强化液态铝阴极内部传质与传输， 大幅消除钪溶质分布不均现象 ，抑制粗大初生 Al3Sc 相析出；另一方面，超声通过空化效应提高 熔 体 中 杂 质 粒 子 表 面 活 性 ， 使 其 可 作 为 初 生 Al3Sc 相形核基底，导致空化诱导 Al3Sc 形核，增加 形核率，有利于增多初生 Al3Sc 相细化晶核，同时 超声与熔体交互作用产生熔体对流[26−27] ，促进已 形核晶核均匀分布，如图 9（d）所示. 另外，凝固过 程中，局部区域出现较大初生 Al3Sc 相也会在超声 空化冲击作用进一步破碎细化[28] . 因此，超声协同 电解过程中，液态阴极熔体内部细小初生 Al3Sc 有 利于三元含钪相细化，如图 9（e）所示. 另外，超声 协同作用在电解后凝固过程效果最为突出，这可 能与长时间电解过程中上述超声机制具有一定时 效性有关[29] . 3    结论 （1）熔盐电解制备 Al–Si–Sc 和 Al–Cu–Sc 合 金中，超声协同作用促使三元 AlSiSc 相由菱形管 状转变为细小实心方棒状，其尺寸由 205 减小到 约 40 μm；超声协同可显著细化三元 AlCuSc 相团 簇尺寸，由约 100 减小至约 30 μm. （2）超声协同细化三元含钪相机制主要与其 提高初生 Al3Sc 相形核率从而使其细化并均匀分 布有关，三元含钪相以此为基底形核长大，最终得 以细化；同时超声也可促进合金溶质均匀分布，抑 制粗大 Al3Sc 相析出. （3）电解后合金凝固阶段，超声协同细化三元 含钪相效果更为显著，表明超声细化机制主要作 用于凝固阶段. 参    考    文    献 Tian  S  K,  Li  J  Y,  Zhang  J  L,  et  al.  Effect  of  Sc  on  the microstructure and properties of 7056 aluminum alloy. Chin J Eng, [1] Molten salt Liquid Al Al−Si Al−Cu Liquid Al Al−Si Al−Cu Liquid Al Al−Si Al−Cu Liquid Al Al−Si Al−Cu Liquid Al Al−Si Al−Cu Interface Sc3+ Sc3+ Sc3+ Molten salt electrolysis Sc solute Sc solute Low diffusion rate Sc solute Sluggish Al3Sc nuclei Uniform Al3Sc nuclei Pre-solidification Solidification Peritectic reaction L+Al3Sc→AlSiSc/AlCuSc Hollow AlSiSc Cluster AlCuSc Dendritic Al3Sc Hollow AlSiSc Cluster AlCuSc Cubic Al Al 3Sc 3Sc Ternary phase (a) (b) (c) (d) (e) Without ultrasound Without ultrasound 图 9    熔盐电解含 Sc 铝合金三元相超声协同细化机制示意图 Fig.9    Schematic for the ultrasonic refining mechanism of the ternary phase in the Al–Sc based alloys by molten salt electrolysis 刘    轩等： 电解制备含钪铝合金三元相超声细化机制 · 1471 ·