郭占成等：超重力冶金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计 ·1603· 虽然可去除大尺寸夹杂物，但时间长效率低，而细 有色金属及合金和复合材料循环利用的熔炼， 小夹杂物仍难去除.而在超重力条件下，铝液中 主要任务是脱除夹杂物，超重力沉降上浮或过滤 AlFe颗粒可以快速沉降.图16所示是高度为30mm 是一种高效方法，例如铝合金废料重熔除杂5阿 的A1-2.8%Fe铝液，在660℃保温10min自然沉 镁合金废料重熔除杂m、热镀锌渣重熔除杂-网 降除杂和超重力处理1min、l0min时除杂效果对 和A一SiC复合材料废弃物重熔分离SiC颗粒8o 比四类似地，针对铜合金、铝硅合金的超重力除 5.3熔析结晶-超重力分离高纯金属 杂研究2)，都说明超重力脱除夹杂物十分有效： 类似于区域熔炼再结品提纯，两种或多种金 Zhao等阿采用立式离心机研究了利用超重力铸 属熔融再结晶，杂质元素在固液相发生偏析再分 造去除A-Si合金中富铁相.发现富铁相沿超重力 配，从而可提高优先结晶金属的纯度.例如用金属 方向沉积聚集在试样外侧，同时沿超重力方向试 铝或金属锡与冶金硅熔融再结晶，可将冶金硅中 样中铁含量也逐渐升高，呈梯度分布趋势，去除外 B、P、Fe、Ti、V等杂质元素富集于低熔点Si-Al 壁面的合金铁质量分数由原来的2.07%降至0.27%， 或Si-Sn合金中，而优先析出的金属Si杂质含量 去除率达87% 显著降低，经多次熔析处理，硅中杂质元素含量可 G=1 达到太阳能级多晶硅的要求.但由于金属Si与 A1及A-Si合金的密度十分接近，结晶硅的分离 是实现硅提纯的难题.如果将熔析结晶与超重力 相结合，则可实现结晶硅的有效分离8-8，如图17 800m 所示，在常重力条件下，结晶硅均匀分布于硅铝液 中，而超重力条件下结晶硅分布于硅铝液下部，再 I min 通过加热过滤便可与硅铝液分离 6超重力凝固细化晶粒和制备梯度材料 G=400 6.1超重力凝固细化晶粒 800μm 一般而言，金属材料的晶粒越小，强度和延展 10 min 性越好.常重力条件下的金属液凝固，结晶颗粒与 液相的重力差很小，而且凝固温度区间内液相黏 度很大，因此结晶颗粒与液相之间几乎没有相对 移动.而在超重力条件下进行金属液凝固，结品颗 00μm 粒与液相的重力差随重力系数增加而增加，当重 力差大于液相对结晶颗粒移动的阻力时，便于超 图16A-2.8%Fe铝液自然沉降滁杂和超重力除杂效果对比 Fig.16 Macro and microstructures of an Al-2.8%Fe alloy solidified in 重力方向形成“结晶雨"，从而细化了晶粒.图18(a) normal-gravity and supergravity fields 是在相同降温速度条件下超重力系数对金属铝 =1 G=400 Si obtained by centrifugal separation 图17超重力熔析分离A-Si熔体中结晶硅 Fig.17 Separation of silicon crystals from an Al-Si melt by supergravity-induced liquidation虽然可去除大尺寸夹杂物，但时间长效率低，而细 小夹杂物仍难去除. 而在超重力条件下，铝液中 Al3Fe 颗粒可以快速沉降. 图 16 所示是高度为 30 mm 的 Al−2.8%Fe 铝液，在 660 ℃ 保温 10 min 自然沉 降除杂和超重力处理 1 min、10 min 时除杂效果对 比[71] . 类似地，针对铜合金、铝硅合金的超重力除 杂研究[72−73] ，都说明超重力脱除夹杂物十分有效； Zhao 等[74] 采用立式离心机研究了利用超重力铸 造去除 Al−Si 合金中富铁相，发现富铁相沿超重力 方向沉积聚集在试样外侧，同时沿超重力方向试 样中铁含量也逐渐升高，呈梯度分布趋势，去除外 壁面的合金铁质量分数由原来的 2.07% 降至 0.27%， 去除率达 87%. G=1 G=400 5 mm 5 mm 500 μm 800 μm 800 μm 800 μm 1 min 10 min 10 min 图 16    Al−2.8%Fe 铝液自然沉降除杂和超重力除杂效果对比 Fig.16    Macro and microstructures of an Al−2.8%Fe alloy solidified in normal-gravity and supergravity fields 有色金属及合金和复合材料循环利用的熔炼， 主要任务是脱除夹杂物，超重力沉降/上浮或过滤 是一种高效方法，例如铝合金废料重熔除杂[75−76]、 镁合金废料重熔除杂[77]、热镀锌渣重熔除杂[78−79] 和 Al−−SiC 复合材料废弃物重熔分离 SiC 颗粒[80] . 5.3    熔析结晶−超重力分离高纯金属 类似于区域熔炼再结晶提纯，两种或多种金 属熔融再结晶，杂质元素在固液相发生偏析再分 配，从而可提高优先结晶金属的纯度. 例如用金属 铝或金属锡与冶金硅熔融再结晶，可将冶金硅中 B、P、Fe、Ti、V 等杂质元素富集于低熔点 Si−Al 或 Si−Sn 合金中，而优先析出的金属 Si 杂质含量 显著降低，经多次熔析处理，硅中杂质元素含量可 达到太阳能级多晶硅的要求. 但由于金属 Si 与 Al 及 Al−Si 合金的密度十分接近，结晶硅的分离 是实现硅提纯的难题. 如果将熔析结晶与超重力 相结合，则可实现结晶硅的有效分离[81−84] ，如图 17 所示，在常重力条件下，结晶硅均匀分布于硅铝液 中，而超重力条件下结晶硅分布于硅铝液下部，再 通过加热过滤便可与硅铝液分离. 6    超重力凝固细化晶粒和制备梯度材料 6.1    超重力凝固细化晶粒 一般而言，金属材料的晶粒越小，强度和延展 性越好. 常重力条件下的金属液凝固，结晶颗粒与 液相的重力差很小，而且凝固温度区间内液相黏 度很大，因此结晶颗粒与液相之间几乎没有相对 移动. 而在超重力条件下进行金属液凝固，结晶颗 粒与液相的重力差随重力系数增加而增加，当重 力差大于液相对结晶颗粒移动的阻力时，便于超 重力方向形成“结晶雨” [85] ，从而细化了晶粒. 图 18（a） 是在相同降温速度条件下超重力系数对金属铝 G=1 G=400 A 5 mm 5 mm 5 mm A Si obtained by centrifugal separation 图 17    超重力熔析分离 Al−Si 熔体中结晶硅 Fig.17    Separation of silicon crystals from an Al–Si melt by supergravity-induced liquidation 郭占成等： 超重力冶金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计 · 1603 ·