2017年, 第27卷, 第11期　刊出日期：2017-11-25

  

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Structural Materials
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  基于TOPSIS和改进NSGA-II法的搅拌摩擦工艺制备B4C/A356复合材料显微组织和力学性能的混合多目标优化

  Mostafa AKBARI, Mohammad Hasan SHOJAEEFARD, Parviz ASADI, Abolfazl KHALKHALI

  中国有色金属学报（英文版）. 2017, 27(11): 2317-2333.

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  采用搅拌摩擦工艺以A356合金为基体金属制备B4C/A356复合材料。利用人工神经网络(ANN)和非支配排序遗传算法-II研究复合材料的显微组织和力学性能。首先，研究不同加工条件下制得的复合材料的显微组织。结果表明，搅拌摩擦工艺参数如搅拌头的旋转速度、横向移动速度和形状显著影响基体中初始Si颗粒的尺寸、复合材料层中B4C增强剂的分散效果及体积分数。采用高旋转/移动速度比和螺纹销形状搅拌头能获得较好的颗粒分布、较细的Si颗粒和较少的B4C团聚体。其次，通过硬度和拉伸试验研究复合材料的力学性能。结果显示，经搅拌摩擦工艺处理后样品的断裂机理由脆性断裂转变为延性断裂。最后，利用人工神经网络技术建立了搅拌摩擦工艺参数与复合材料显微组织和力学性能的关系。采用结合多样性保护机制的NSGA-II法，即ε消除算法得到搅拌摩擦工艺参数的Pareto最优解集。
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  基于响应面法的AA5052-H32铝合金搅拌摩擦焊参数优化

  S. SHANAVAS, J. EDWIN RAJA DHAS

  中国有色金属学报（英文版）. 2017, 27(11): 2334-2344.

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  采用中心组合设计响应面方法对AA5052-H32铝板间的搅拌摩擦焊过程进行优化。研究发现，焊接参数如搅拌头形状、搅拌头转速、焊接速度和搅拌头倾斜角对接头性能起着决定作用。采用方锥形搅拌头，在搅拌头转速为600 r/min、焊接速度为65 mm/min和搅拌头倾角为1.5°时，得到最优的焊接效率93.51%。开发数学模型描述焊接参数和响应变量(极限抗拉强度和伸长率)间的关系，并对模型进行优化，以最大限度地提高搅拌摩擦焊接头的极限抗拉强度。利用数学模型生成响应曲线以解释焊接参数对响应变量的相互影响，并采用方差分析(ANOVA)验证模型的可靠性。结果表明，实验数据与预测模型吻合较好。通过观察焊缝的微观和宏观结构，研究焊缝不同区域的晶粒组织。
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  基于QFD-Taguchi混合方法的型模铸造工艺优化

  K. Ch. APPARAO, Anil Kumar BIRRU

  中国有色金属学报（英文版）. 2017, 27(11): 2345-2356.

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  采用基于QFD-Taguchi的混合方法对高温型模铸造的多种重要工艺参数进行确认和优化，以便获得A380合金最适宜的铸造密度。为研究型模铸造工艺的性能特征，首先确认关键工艺参数，选择合适的正交序列，然后进行均差和方差分析。通过基于QFD-Taguchi的混合方法确认和优化了型模铸造的工艺参数，并将之应用于实验中。结果表明，在所选参数中，注射压力是最重要的参数。注射压力对平均铸造密度变化的贡献约为61.483%。95%一致性水平的置信区间约为0.000718，验证了A380合金优化铸造密度的预估区间。
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  回归再时效处理过程中AA7075铝合金的性能

  Gokhan OZER, Ahmet KARAASLAN

  中国有色金属学报（英文版）. 2017, 27(11): 2357-2362.

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  采用回归法分别在180、240和320 °C下热处理AA7075铝合金1、30、50、70、90 和 120 min。回归处理后，再在T6(120 °C，24 h)热处理制度下对合金进行时效处理。通过V型冲击和硬度测试确定时效样品的力学性能，并通过测定电导率确定样品的物理性能。此外，利用光学显微镜和透射电镜表征合金的显微组织性能。结果表明，回归再时效的温度和时间对合金冲击韧性和硬度的影响与晶界的析出相有关。
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  大压下量轧制喷射成形5A12铝合金的显微组织演变及强化机制

  范才河,陈喜红,周新鹏,欧 玲,阳建君,彭英彪

  中国有色金属学报（英文版）. 2017, 27(11): 2363-2370.

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  基于大压下量轧制工艺对喷射成形5A12铝合金挤压坯进行热轧变形，采用透射电镜(TEM)、电子背散射衍射技术(EBSD)和能谱(EDS)分析合金显微组织的演变规律，进而探讨合金的强韧化机理。研究结果表明：喷射成形5A12铝合金在热轧变形过程中，发生了不连续动态再结晶和连续动态再结晶，晶粒组织显著细化，形成了亚微米级组织结构；同时，不完全动态再结晶导致合金的位错密度显著增加和胞状组织大量形成。喷射成形工艺实现了5A12铝合金中Mg原子完全固溶，并在热变形过程中保留下来，而未生成沉淀相析出。均匀分布在铝基体中的过饱和Mg原子与位错发生交互作用，阻碍了位错运动，提高了位错密度，因而固溶强化效果显著，是合金获得高强高韧性能的最根本原因。喷射成形5A12铝合金经3道次热轧变形后的室温拉伸强度和伸长率分别达到622 MPa和20%。
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  铝黄铜的冲蚀和冲蚀-腐蚀：射流速度、石英砂浓度和撞击角对表面粗糙度的影响

  Morteza ABEDINI, Hamid M. GHASEMI

  中国有色金属学报（英文版）. 2017, 27(11): 2371-2380.

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  研究射流速度、石英砂浓度和撞击角度对冲蚀和冲蚀-腐蚀后铝黄铜表面粗糙度的影响。冲蚀和冲蚀-腐蚀实验在射流冲击机中进行。采用二维和三维轮廓曲线仪以及扫描电子显微镜表征被侵蚀样品表面。结果表明，在9、6和3 m/s射流速度下，分别增加石英砂浓度至1、5和10 g/L，冲蚀-腐蚀试样表面粗糙度增加；但是，进一步增加石英砂浓度，由于试样表面的加工硬化、反弹或覆盖效应以及高频冲击作用，试样表面粗糙度降低。随着射流速度的增加，试样表面粗糙度增加。研究结果还表明，当射流速度为3和6 m/s时，试样表面粗糙度随撞击角度的变化并不明显；而在较高的射流速度9 m/s时，倾斜撞击造成腐蚀表面形成波痕，因此，具有比正面撞击试样更高的表面粗糙度。
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  固溶和冷却处理对Mg-Dy-Ni合金中长程堆垛有序(LPSO)相形貌及析出硬化行为的影响

  袁利桃,毕广利,李元东,姜 静,韩宇翔,房大庆,马 颖

  中国有色金属学报（英文版）. 2017, 27(11): 2381-2389.

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  研究了固溶和冷却处理对Mg-2Dy-0.5Ni(摩尔分数，%)合金中的长程堆垛有序(LPSO)相形貌及析出硬化行为的影响。铸态合金组织主要包括α-Mg相、分布在枝晶间具有LPSO结构的竹尖状Mg12DyNi相和少量立方体状的Dy相。在565 °C固溶处理12 h及随后不同的冷却过程中，点状、块状、细薄片状和棒状的LPSO相分别在基体中析出。在连续冷却(空冷和炉冷)的条件下，细薄片状的LPSO相逐渐在晶粒内部析出；随着冷却时间的延长，其体积分数亦增加，且块状的LPSO相发生粗化。在不连续冷却(炉冷到415 °C+空冷和炉冷到265 °C+空冷)条件下，点状LPSO相生长成棒状相，降低了合金的冷却硬化作用。
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  在β锻TA15两相钛合金中的变形带

  樊晓光,曾 祥,杨 合,高鹏飞,孟 淼,左 瑞,雷鹏辉

  中国有色金属学报（英文版）. 2017, 27(11): 2390-2399.

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  为了研究在β锻TA15两相钛合金中的变形带，在Gleeble 3500热模拟实验机上进行热模拟压缩试验，同时通过光学显微镜(OM)和电子背散射衍射(EBSD)对显微组织进行研究。研究发现：在TA15钛合金β变形中，变形带在温度高达0.7Tm(Tm为熔点)时仍是重要的组织细化机制。变形带的边界可以是尖锐或者连续变化的。尖锐的变形带界面能够阻碍不连续动态再结晶形核，从而抑制再结晶的发生, 而连续变化的界面是连续动态再结晶产生之处。变形带在高应变速率和初始粗晶组织中更加明显。分裂后的晶粒宽度对应变速率敏感，但受温度和初始晶粒尺寸影响较小。多向锻造产生交织的变形带可用于细化小型锻件的组织。
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  元素C对β-TiAl合金高温压缩及蠕变性能的影响

  周灿旭,刘 彬,刘 咏,邱从章,李慧中,贺跃辉

  中国有色金属学报（英文版）. 2017, 27(11): 2400-2405.

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  C元素是提高金属材料高温性能的重要元素之一。研究C元素对β-TiAl合金(Ti-45Al-3Fe-2Mo，摩尔分数，%)的高温压缩性能(750~850 °C)及蠕变性能(750 °C，150~300 MPa)的影响。结果表明，C元素的加入明显提高β-TiAl合金的高温压缩强度及蠕变抗力。添加C元素后，在β-TiAl合金中形成了纳米尺度的Ti3AlC碳化物相，碳化物可以钉扎位错，从而大幅提高材料的高温性能。同时，C元素的添加还降低β相含量，细化层片结构，引起固溶强化，这些因素的共同作用都有效提高合金的高温性能。
Computational Materials Science and Numerical Modelling
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  立式双辊铸轧金属玻璃过程中临界冷却速率及工艺条件的模拟

  裴智璞,巨东英,李 雪

  中国有色金属学报（英文版）. 2017, 27(11): 2406-2414.

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  通过计算形成金属玻璃的连续冷却转变(CCT)图得出其临界冷却速率。对立式双辊铸轧(VTRC)过程中熔池金属温度场进行数值模拟，计算出不同工艺条件下的冷却速率。通过对上述冷却速率进行比较，讨论采用VTRC工艺制造金属玻璃的可行性和工艺条件对冷却速率的影响。 结果表明，通过VTRC工艺制造镁基金属玻璃的冷却速率可达到3至4个数量级，大于由CCT图计算得到的临界冷却速率。采用单侧浇注方式可以改善熔池内金属的温度分布。VTRC工艺具有良好的连续铸造金属玻璃薄带的能力。
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  超高强铝合金厚板升温温度场的计算与试验研究

  范世通,邓运来,张 劲,郭晓斌

  中国有色金属学报（英文版）. 2017, 27(11): 2415-2422.

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  采用多级热处理技术可以有效地提高铝合金厚板的力学性能和抗腐蚀性能，其工程应用的关键和难点是厚板温度的精确控制。基于工程尺寸厚板实测升温数据，研究厚板升温过程、表面换热系数计算方法和厚板温度预测方法。结果表明，升温过程中铝合金厚板表层和心部的温差很小。基于温度的均匀性，计算厚板的表面换热系数，表面换热系数在300 °C以下时为定值，但在300 °C以上升温时表面换热系数大幅上升。因此，开发了预测厚板温度的集总参数法，采用该方法设计多级固溶制度，并用有限元法和实测数据进行验证。采用集总参数法和有限元法计算的厚板升温曲线均与实测结果相符，且集总参数法在工程应用中更为便捷。
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  钛合金等温局部加载复杂热变形历史下的三态组织预测

  高鹏飞,杨 合,樊晓光,雷珍妮,蔡 杨

  中国有色金属学报（英文版）. 2017, 27(11): 2423-2433.

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  建立钛合金等温局部加载三态组织预测模型，以实现三态组织参数与性能的定量调控。逐工步的TA15钛合金等温局部加载实验表明，三态组织形成中存在4个重要组织演化现象：条状α相的生成、各组成相含量变化、条状α相取向变化及条状α相的球化。基于实验结果，总结了工艺条件对上述4种组织演化现象的定量影响规律，在此基础上建立了联系三态组织参数(等轴α相含量、条状α相含量、条状α相取向分布混乱度指数、条状α相的球化分数)与成形条件的三态组织预测模型。然后，将组织模型嵌入有限元模拟软件，建立了基于有限元的等温局部加载三态组织预测模型。通过实验组织观测验证了模型的可靠性与准确性，说明本文作者建立的三态组织模型及其与有限元模型的集成可以有效地预测TA15钛合金等温局部加载三态组织参数。
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  高温变形能建模及其在Mg-Li-Al-Y 合金中的应用

  曹富荣,周碧晋,尹 斌,薛国强,朱晓彤,许光明

  中国有色金属学报（英文版）. 2017, 27(11): 2434-2442.

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  为了控制超塑性流动和断裂并研究变形能的变化，采用拉伸实验和显微组织定量方法获得Mg-7.28Li-2.19Al-0.091Y 合金的应力和晶粒尺寸并建立新的高温变形能模型。结果表明，晶粒内部变形能随应变速率增大而增大，随温度升高而降低；晶界变形能的变化与晶粒内部变形能的变化相反。在给定温度下，临界空洞形核能随应变速率增大而降低，使空洞形核变得容易；在给定应变速率下，临界空洞形核能随变形温度升高而增大，导致空洞形核变得困难。新建立的临界空洞形核半径和能量模型为预测微裂纹的产生和提高成形零件的使用寿命提供了一个新途径。
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  金属合金的拉伸应力-应变行为

  曹 俊,李付国,马新凯,孙占坤

  中国有色金属学报（英文版）. 2017, 27(11): 2443-2453.

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  利用拉伸应力-应变曲线分析5种合金，SKH51、STS316L、Ti-6Al-4V、Al6061和Inconel600的加工硬化行为。通过Hollomon、Swift 和 Voce本构模型对材料的实验数据进行拟合、比较与加工硬化特征分析，提出新的预测拉伸变形各阶段加工硬化行为的表征参数及其在不同坐标体系下的表现形式。研究表明，Voce模型更适合用于描述大应变条件下的拉伸应力-应变关系，其预测抗拉强度的精度高于Hollomon和Swift模型。另外，SKH51合金在拉伸变形过程中出现的加工硬化行为明显异于其他4种合金。
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  热成形工艺参数对AA6082铝合金性能的影响

  马闻宇,王宝雨,林建国,唐学峰

  中国有色金属学报（英文版）. 2017, 27(11): 2454-2463.

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  基于铝合金热冲压工艺，通过热物理模拟实验的方法，研究了工艺参数对AA6082铝合金力学性能的影响规律。利用透射电子显微镜分析了强化相分布和强化机理，建立了针对AA6082铝合金热冲压工艺的形变强化新模型，并通过遗传算法工具箱确定了模型中的材料常数。该模型可以预测不同工况下材料性能的演化行为，得到AA6082铝合金形变强化模型预测值与实验值的Pearson相关系数为0.99402、平均相对误差为2.0054%、均方根误差为2.045，说明预测度很好。将模型二次开发入有限元仿真软件ABAQUS中，从而实现对铝合金热冲压杯形件在不同时效条件下性能的预测。
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  基于热压缩试验与模拟的Incoloy028合金挤压工艺参数优化

  于志强,周根树,拓雷锋,宋丛飞

  中国有色金属学报（英文版）. 2017, 27(11): 2464-2473.

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  采用热压缩实验方法研究Incoloy028合金在高温和高应变速率下应力-应变曲线。应力-应变曲线表明，峰值应力随着温度的升高和应变速率的下降而降低。采用有限元模拟方法研究挤压过程中温度、挤压速度和摩擦因数对挤压载荷、应力、应变和应变速率的影响，提高挤压温度可以降低挤压载荷和变形抗力，但对应变和应变速率的影响较小。当挤压速度在200~350 mm/s之间变化时，挤压载荷没有发生明显变化；当挤压速度达到400 mm/s时，挤压突破力达到42500 kN，挤压过程极不稳定。随着挤压速度的增大，应力和应变速率增大。当摩擦因数在0.02~0.03之间变化时，变形抗力约为160 MPa，挤压过程中应变速率可以控制在70 s-1以下。生产试验成功验证了采用有限元方法优化后的挤压工艺参数，产品的力学实验结果满足性能要求。
Mine Engineering, Metallurgical Engineering, Chemistry and Chemical Engineering
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  硫磺共磨对铜铅锌氧化物表面性质和浮选的影响

  李 钊,陈 敏,黄鹏武,张其武,宋少先

  中国有色金属学报（英文版）. 2017, 27(11): 2474-2480.

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  研究3种有色金属氧化物(CuO，PbO和ZnO)与单质硫璜在轻度干磨条件下的反应，并对磨后产物进行浮选实验，以期探索磨后产物的表面性质及可浮性的变化。考察磨后产物的相变、形貌特征、电化学性质及表面化学组成等。结果表明，通过Cu—S键合，在颗粒表面形成了具有类CuS性质的薄层，在与单质硫璜干磨后，CuO的可浮性明显提升。机械化学硫化处理后，PbO的可浮行下降，主要因为颗粒表面的碳酸盐化以及PbO与S之间发生生成PbS和PbSO4的歧化反应。机械化学硫化对ZnO的作用不大。
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  生物法处理吡啶硫酮锌生产废水中高浓度锌离子和硫酸根离子

  彭志雄,何慧军,杨春平,曾光明,文 珊,严 洲,向海弘,程 燕,Sheldon TARRE, Michal GREEN

  中国有色金属学报（英文版）. 2017, 27(11): 2481-2491.

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  采用富集和驯化后的硫酸盐还原菌处理吡啶硫酮锌生产废水，并考察不同实验参数对硫酸盐降解和锌沉淀的影响。单因素实验结果表明：当吡啶硫酮锌浓度为3.0~5.0 mg/L时，锌离子和硫酸根离子的去除率呈明显下降趋势。当温度为30~35 °C、pH为 7~8、接种量为10%~25%时，锌离子和硫酸根离子都能得到有效去除。零价铁不仅能提高硫酸盐还原菌对硫酸根离子和锌离子的去除效果，还能加强硫酸盐还原菌对锌离子和吡啶硫酮锌毒性的抗性。此外，采用Box-Behnken法研究主要实验参数对硫酸盐去除率的影响。得到最佳实验条件如下： pH 7.45、温度 33.61 °C、吡啶硫酮锌浓度 0.62 mg/L。在最佳实验条件下硫酸根离子的去除率能达到最大值91.62%。
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  铁锰复合氧化物吸附法从钼酸盐溶液中分离钨

  宋云峰,何利华,陈星宇,赵中伟

  中国有色金属学报（英文版）. 2017, 27(11): 2492-2502.

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  考虑到钨、钼不同的地球化学富集行为，研究铁锰复合氧化物(FMBO)、氢氧化铁(Fe(OH)3)和二氧化锰(MnO2)三种吸附剂从钼酸盐溶液中分离钨。结果表明，铁锰复合氧化物(FMBO)最适合从钼酸盐溶液中除钨。铁锰复合氧化物在一个较宽泛的pH范围内(6.9~11.3)均有较好的适用性，可以得到钨去除率超过80%，钼损失小于3%。此外，铁锰复合氧化物可以用3 mol/L的氢氧化钠再生，而且钨的去除率经过5次吸附-解吸-再生仍然可以保持不变。表明铁锰复合氧化物吸附法从钼酸盐溶液中除钨具有良好的应用潜力。
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  氧气底吹铜熔炼过程多相平衡模拟

  王亲猛,郭学益,王松松,廖立乐,田庆华

  中国有色金属学报（英文版）. 2017, 27(11): 2503-2511.

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  基于氧气底吹工艺特性和最小吉布斯自由能原理，构建了氧气底吹铜熔炼热力学计算模型。模拟结果表明：在给定的稳定生产条件下，铜锍中Cu、Fe和S含量分别是71.08%、7.15%和17.51%，渣中Fe、SiO2和Cu含量分别是42.17%、25.05%和3.16%。微量元素在底吹熔炼过程中气相、渣相和铜锍相三相间的模拟分配比例为：砷82.69%、11.22%和6.09%；锑16.57%、70.63%和12.80%；铋68.93%、11.30%和19.77%；铅19.70%、24.75%和55.55%；锌17.94%、64.28%和17.79%。将模拟结果和实际生产数据进行验证，结果一致，表明了该多相平衡热力学计算模型具有可靠性，可以指导氧气底吹铜熔炼生产实践，优化工艺操作参数。
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  铝电解槽氧化铝输运特性与下料配置的关系

  张红亮,杨 帅,李 劼,

  中国有色金属学报（英文版）. 2017, 27(11): 2512-2520.

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  针对特大型铝电解槽内氧化铝含量不均匀性日益突出的问题，建立了铝电解槽内氧化铝输运过程的瞬态数学模型。以某400 kA铝电解槽为实例，计算分析了槽内氧化铝含量分布与电解质流动、下料系统配置的关系。结果表明，电解质的大漩涡流动有利于氧化铝在漩涡内快速输运，实现漩涡内部浓度均匀分布；氧化铝下料后10~15 s即可输运到极间，早期沉淀风险发生在下料后的10~25 s；分组交叉的下料配置可减少槽内含量波动，并一定程度上改善了含量分布的均匀性。在此基础上，提出了铝电解槽“分区按需下料”策略，尽管含量的空间分布特性未发生根本性改变，但全槽氧化铝含量分布的均匀性得到了明显的优化。
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  铜包铝复合材料界面金属间化合物及形成机理

  初 娣,张建宇,姚金金,韩艳秋,吴春京

  中国有色金属学报（英文版）. 2017, 27(11): 2521-2528.

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  采用垂直充芯连铸工艺制备了直径为12 mm、铜层厚度为2 mm的铜包铝复合材料。通过 SEM、XRD和TEM 对界面金属间化合物的种类和形态进行了研究。研究结果表明，Cu/Al界面主要由层状γ1(Cu9Al4)相、胞状θ(CuAl2)相和α(Al)+θ(CuAl2)共晶组成，特别是在界面组织中观察到残留的针状Cu3Al2+x相。通过比较γ1(Cu9Al4)和ε2(Cu3Al2+x)的形核驱动力，证明了ε2(Cu3Al2+x)相优先在界面处形成。此外，完整揭示了铜包铝复合材料界面形成机理。