高纯铝偏析提纯工艺及其性能的研究

摘要

高纯铝与原铝相比具有更好的延展性、导电性、光反射性以及耐蚀性，在现代电子信息、航空航天、超导体、天文研究等领域得到了大规模的应用，并推动了这些行业的发展。我国是一个铝业大国，但关于高纯铝的提纯净化以及性能研究等方面与发达国家还存在着一定的差距，特别是利用定向凝固工艺制备高纯铝的研究开展较少，还需要进行深入的应用基础研究。本论文通过对国内外相关研究的综述，深入分析了偏析提纯的机理，在成功制备了上引法和下引法两类提纯设备的基础上，分别探讨了不同的工艺参数对提纯效果和组织的影响，并对高纯铝的导电率、热导率、延伸率等物理性能进行检测及分析，取得了以下研究结论。
　　(1)当晶粒以平界面方式生长时能够得到较好的提纯效果，在本试验条件下，根据成分过冷公式可以计算出铝熔体在定向凝固过程中保持平界面生长的临界速度，当上引法中牵引速率低于973.4mm/h、下引法中牵引速率低于964.2mm/h时能保证晶粒以平界面生长，通过相图分析确定加热温度为750℃。
　　(2)利用上引法制备高纯铝时，凝固过程的初期和末期形成的组织杂质含量比较高，主要杂质元素的含量随着凝固过程的进行存在着先降后升的总体趋势。
　　(3)利用上引法制备时，优化后的工艺参数为:搅拌频率30Hz、牵引频率为15Hz。经过两次提纯操作，成功制备出5N级的高纯铝。
　　(4)通过对上引法所得试样进行组织分析可知，凝固初期形成的晶粒相对较细小，随着凝固过程的进行晶粒逐渐长大，在此过程中存在着晶粒的竞争生长与淘汰。
　　(5)下引法制备过程中，在旋转磁场的作用下，溶质边界层的厚度降低。在径向方向上，k0＜1的元素成分随着距离中心位置的增加而逐渐减少，而k0＞1的元素从中心到边缘其含量呈上升趋势。
　　(6)下引法中，熔体中施加旋转磁场后晶粒的尺寸减小，磁场电流增加导致晶粒尺寸的进一步减小。旋转磁场的存在提高了提纯效果，但是过大的搅拌电流反而会抑制提纯效果，经过试验验证，选择50A的搅拌电流能产生较为理想的效果。
　　(7)通过对铝的物理性能进行测试与分析可知，随着纯度的提高，其电导率逐渐增加，电阻率相应地降低;热导率也有所提升，但纯铝的热导率随着温度的升高有所降低;高纯铝的延展性相对于铝合金有了明显的提高，但抗拉强度有所降低。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 高纯铝概述

1．1．1 高纯铝的定义及分类

1．1．2 高纯铝的应用

1．2 国内外高纯铝工业发展

1．3 铝中各元素的偏析

1．3．1 各种元素在铝中的平衡分配系数

1．3．2 平衡分配系数与原子序数和原子半径的关系

1．4 高纯铝的提纯工艺

1．4．1 三层液电解法

1．4．2 偏析法

1．5 晶体的生长过程研究

1．5．1 晶粒的生长机制

1．5．2 定向凝固中的溶质分布

1．6 论文研究意义及研究内容

1．6．1 论文研究意义

1．6．2 论文研究内容

第二章 高纯铝提纯装置的设计及工艺参数的确定

2．1 提纯原理

2．1．1 偏析提纯的原理

2．1．2 电磁搅拌原理

2．2 试验装备的设计

2．2．1 设备的设计思路

2．2．2 加热以及冷却装置的设计

2．2．3 加热方式的选择

2．2．4 试验装备的整体设计

2．3 试验原料及成分检测方法

2．3．1 试验原料

2．3．2 检测方法

2．5 提纯工艺参数

2．5．1 牵引速率

2．5．2 加热温度

2．6 本章小结

第三章 工艺参数对上引法制备高纯铝组织及成分的影响

3．1 实验方案的设计

3．2 工艺参数对铝锭成分的影响

3．2．1 提纯次数对于提纯效果的影响

3．2．2 参数的改变对提纯效果的影响

3．3 试样的组织分析

3．4 本章小结

第四章 下引法制备高纯铝的探究

4．1 两种制备方法的区别

4．2 试验方案的设计

4．3 电磁搅拌对铝锭组织以及成分的影响

4．3．1 搅拌强度对成分的影响

4．3．2 搅拌强度对组织的影响

4．3．3 分析与讨论

4．4 牵引速率对铝提纯的影响

4．5 本章小结

第五章 高纯铝物理性能研究

5．1 高纯铝的导电性

5．1．1 金属导电的物理本质

5．1．2 导电率的概念

5．1．3 导电率的测定结果与分析

5．2 高纯铝导热性能的研究

5．2．1 导热性及热导率

5．2．2 热导率的测定与分析

5．3 高纯铝的延伸性

5．3．1 金属的延展性

5．3．2 延伸性的测量与分析

5．4 本章小结

第六章 结论及展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

研究生期间发表的论文及其他科研成果