航空航天、高速列车等运载工具的高速发展,不断牵动着铝合金的更新换代。微量元素Zr是铝合金组织与性能控制的重要手段。因此,Al-Zr中间合金的组织性能优化及使用性能评价等研究具有重要的实际和理论意义。基于此背景,本论文进行了 Al-Zr中间合金的制备工艺及细化效果研究,为Al-Zr中间合金的组织调控及工业应用提供基础数据及理论支撑。本文采用熔盐反应实验、传统金属学及EET理论相结合的方法,主要研究了熔盐反应条件、凝固条件对Al-Zr中间合金凝固组织中Al3Zr相形貌和尺寸的影响,及在工业纯铝中的溶解行为和细化效果,在电子结构层次上探讨了浇注温度对Al3Zr相形貌影响机理和Al-Zr中间合金对工业纯铝细化的机理。得到主要结果如下:(1)固态铝与固态K2ZrF6同时升温时,开始发生反应的温度为690℃。在690～750℃反应时,伴随着K2ZrF6在熔体中的沉降、熔化、反应、球化过程,Al熔体与K2ZrF6熔盐相互包裹,并在铝熔体与K2ZrF6接触的界面处发生反应,形成大量Al3Zr相。(2)铝液与K2ZrF6熔盐反应是一个放热反应,800℃下780 g铝熔体上部加入125 g的K2ZrF6,熔盐反应所引起反应界面附近升温约为10℃。(3)800℃下,铝液与K2ZrF6在无搅拌的石墨坩埚中进行熔盐反应时,在界面处铝侧表面形成一层Al3Zr颗粒。颗粒尺寸分布在0.3～8 μm之间,其中1 μm之下的颗粒多为球形或椭球形;1～3 μm的颗粒多为比较规则的正方体形;3～8 μm的颗粒多为厚度较薄的长方体或多面体形。(4)铝液与K2ZrF6在中频炉内进行熔盐反应,当反应温度为800～1200℃且反应时间超过25 min时,Zr元素收得率在91%以上。(5)反应温度对Al-5Zr中间合金中Al3Zr相的形貌和尺寸有显著影响。反应温度为800℃,形成的Al3Zr相为小块状,尺寸为3～8 μm;反应温度为950℃,形成的Al3Zr相为小块状和短棒状,尺寸为15～50μm;反应温度为 1000℃,形成的Al3Zr相为短棒状、长棒状和细针状,尺寸为5～100μm;反应温度为1200℃,形成的A13Zr相为细针状,尺寸为8～80 μm。(6)800℃于中频感应炉内完成熔盐反应后的Al-5Zr中间合金熔体在800～1250℃升温时,反应形成颗粒状Al3Zr相溶入铝熔体;随着温度提高及保温时间延长,Al3Zr相数量减小、尺寸增大、长宽比增加;当温度超过液相线后,熔体中Al3Zr相完全消失,这时将熔体浇注到铜模中形成细小针片状Al3Zr相。Al-5Zr中间合金熔体在1250～800℃降温时,Al3Zr相在熔体中析出,并缓慢长大成粗大的板条状;随着熔炼温度降低,板条状Al3Zr相的数量增多、尺寸增大。(7)含有不同形貌Al3Zr的Al-Zr中间合金对工业纯铝的细化效果不同。含有长条状Al3Zr的中间合金细化作用见效慢;含有细针状Al3Zr的中间合金细化作用见效快,可持续时间长,细化效果好;含有小块状Al3Zr的中间合金细化作用见效最快,但衰退也最快。(8)不同形貌的Al3Zr相在铝熔体中的溶解方式和溶解速度不同。板条状和针片状Al3Zr相在铝熔体内溶解过程中会发生熔断,小块状Al3Zr相溶解、球化;熔断导致Al3Zr相数量增加,溶解和熔断导致Al3Zr相尺寸减小。板条状Al3Zr相的溶解速度最慢,700℃下保温60 min后仍有不溶的Al3Zr相;小块状Al3Zr相的溶解速度最快,700℃下保温15 min后小块状Al3Zr相基本全部溶解;细针状Al3Zr相的溶解速度介于小块状和板条状Al3Zr相之间。(9)基于EET理论分析了浇注温度对Al-5Zr中间合金中Al3Zr相的形貌的影响,熔体中原子团簇的n’A(E’A)值及团簇权重对Al3Zr相的析出行为影响显著。高温(大于950℃)浇注时,数量少且n’A(E’A)值较大的Zr-Zr原子团簇为Al3Zr提供了形核核心,最终形成数量较少的长条状Al3Zr相。低温(小于950℃)浇注时,数量较多、n’A(E’A)值较小的Al-Zr、Zr-Zr原子团簇聚集形核,结果形成大量小块状Al3Zr相。(10)Al-Zr中间合金对工业纯铝细化机理可以追溯到熔体中α-Al与Al3Zr相晶面间的界面共价电子密度差的统计值△ρ’,即△ρ’<10%并且△ρ’值越小,合金中的异质形核效应越好,从而晶粒细化效果越好。△ρ’值小的Al-Al原子团簇能较容易地被异质形核核心(Al3Zr晶体)吸附,促进异质形核及晶粒细化作用;而△ρ’值大的Al-Zr原子团簇容易从异质晶核上脱离,削弱异质形核及晶粒细化效应。延长保温时间或提高熔炼温度,促使Al-Zr原子团簇的数量增多,导致细化效果减弱。