电磁扰动耦合异相纳米粒子对Zn-Cu包晶合金晶粒细化机理研究

The peritectic alloy with significant structural and functional characteristics has become research focus in materials science and engineering. For example, the Ti-Al and Fe-Ni are both typical peritectic alloys and they play important roles in industrial. The researches about peritectic alloy are concerntrated on the phase selection and microstructure evolution in non-equilibrium solidification. The project combines the electromagnetic disturbance with the latest strengthening and toughening technology of modified nanoparticles to study the action mechanism of phase selection and competition, evolution of solidification structures and grain refinement on peritectic point and near peritectic point of Zn-Cu alloy with different input current and imposed style of electromagnetic disturbance, and with different addition (0.01%-0.1%), size of nanoparticles, adding temperature and holding time of modified SiC nanoparticles in conventional solidification condition, respectively. The effect of electromagnetic disturbance coupled with modified SiC nanoparticles on Zn-2.75%Cu peritectic alloy is studied to explore the evolution laws of solidification structures and mechanism of grain refinement and establish the coupled theoretical model for grain refinement. The accomplishment of this project will enrich the solidification theory of peritectic alloy and the theory of electromagnetic metallurgy under the external fields coupled with heterogeneous nanoparticles.

包晶合金因具有重要的结构和功能特征，使其成为当前研究热点。如Ti-Al，Fe-Ni等都是典型的包晶合金，在工业生产中发挥着重要的作用。目前对包晶合金的研究主要集中在非平衡凝固条件下，包晶合金相选择和微观凝固组织演化等方面。本项目将电磁扰动技术与最新的改性纳米粉体强韧化技术相结合，分别研究电磁扰动强度变化、施加方式改变、改性SiC纳米粒子添加量（0.01%-0.1%）、粒子尺寸、加入温度和保温时间等在Zn-Cu合金包晶点和近包晶点成分凝固过程中对相选择竞争生长、凝固组织演化、晶粒细化等的作用机理。并探索电磁扰动耦合改性SiC纳米粒子对Zn-2.75%Cu包晶合金凝固组织演化规律和晶粒细化机理的影响，建立耦合的理论模型。本项目的完成将丰富外场耦合异相纳米粒子作用下，包晶合金的凝固理论和电磁冶金理论。

利用包晶转变特点，采用添加合金元素细化金属材料的方法，在工业中广泛应用。包晶凝固过程中形成的相和微观组织对材料的性能具有非常重要的影响。因此，在改进现有材料性能的过程中,人们对深入理解包晶凝固理论提出了更高的要求。. 本项目研究了电磁扰动耦合改性SiC纳米粒子对Zn-Cu包晶合金晶粒细化机理，得出如下结论：改性SiC纳米粒子作为有效的异质形核核心，能有效细化ε相，从而促进了包晶反应的进行。当改性SiC纳米粒子加入量为0.05%即可达到较好的细化效果。提高改性SiC纳米粒子加入量、加入温度，延长改性SiC纳米粒子保温时间，增加试样直径有助于改性SiC纳米粒子对Zn-2.75%Cu包晶合金的细化作用。旋转磁场和脉冲磁场都能有效细化ε相，加速Cu原子的迁移，促进包晶反应的进行。旋转磁场并未改变ε相成分以及溶质分布，并能有效细化η相基体，并提高η相的微观硬度。旋转磁场的细化效果好于脉冲磁场。在改性SiC纳米粒子、旋转磁场以及耦合作用下，Zn-2.75%Cu包晶合金横截面凝固组织呈现出由树枝状无序生长的ε相在层片状的平行于热流方向生长的η基体中，向球状ε相在典型的胞状和层片状的η基体中的转变，再向更加细化的蔷薇状的ε相在胞状的η基体中的转变。改性SiC纳米粒子、旋转磁场以及耦合作用也能细化Zn-2.0%Cu亚包晶和Zn-4.0%Cu过包晶合金。在本项目中，100V的旋转磁场耦合0.05%加入量的改性SiC纳米粒子对Zn-Cu包晶合金细化效果最好。. 研究电磁扰动耦合异相纳米粒子作用下Zn-Cu 包晶合金晶粒细化机理，是凝固理论与纳米科技相结合所做的探索，会对包晶合金的凝固机制和细化机理等方面有更全面的认识，对于丰富外场和异相纳米粒子作用下，包晶合金的凝固理论和电磁冶金理论有着积极的作用和重要的科学意义。