复层金属界面演变与损伤行为原位可视化及动力学机制

Bimetal has the excellent properties as compared with a single alloy due to the "complementary effect", which has been widely applied in industries. The dynamics of interface forming and damaging in micsro scale is the key fundamental for preparing an excellent bimetal. However, the dynamics is usually derived from lots of static analysis due to the difficulty of in situ observation. In this proposal, we will study the interface evolution (e.g. interface forming and missing, grain nucleation and growth, solute diffusion and variation, intermetallic compound growth, etc. ); and the damage behavior (e.g. voids initiation, growth and coalescence, etc.) of 3003/4004 aluminum bimetal via in situ synchrotron radiation imaging and diffraction techniques. The influence of temperature gradient, cooling rate, flow velocity, mechanical load on the bimetal interface will be systematically studied. This project would provide a theory basic for improving the existing preparation methods of bimetal or developing the new ones.

复层金属材料性能上存在"相补效应"，可获得常规单一金属无法比拟的综合性能，在工业领域获得广泛应用。复层界面的微观形成机理与细观损伤机制是制备优质复层金属材料至为关键的理论基础。然而，一直以来归因于实时原位观察手段的缺乏，复层界面复合与损伤的微观动力学机制通常是基于大量的静态分析结果推断得到，缺乏直接的实验证据。本项目依托我国上海光源大科学装置，基于高能同步辐射硬X射线原位成像与衍射技术，以3003/4004铝合金复层板坯为典型研究对象，对液-液复合过程中的界面演变（界面的形成与失稳行为、过渡区的晶粒形核与生长、元素扩散引起的成分迁移、金属间化合物生长等），以及受载下复层界面的细观损伤行为（微裂纹的萌生、扩展与聚合等）进行实时成像与原位表征。系统研究温度梯度、冷却速率、熔体流速、力学载荷等对复层界面演变与损伤行为的调控规律与微观机理，为完善现有的和发展新型的复层金属制备技术提供理论依据。

复层金属材料是利用复合技术使两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的金属以层状结合并具有牢固冶金结合界面的新型复合材料。其在保持母材金属特性的同时具有“相补效应”，具有很好的综合性能，对于航天、化工、冶金、机械等领域有着极为重要的意义。.在国家自然科学基金“复层金属界面演变与损伤行为原位可视化及动力学机制-批准号：51274054”的资助下，依托上海/北京同步辐射光源国家重大科学装置平台，我们圆满的完成了预定计划中的各项工作。首先，我们自行设计研制了一套同步辐射成像用高温真空凝固炉；其次，利用同步辐射二维成像技术并结合传统静态扩散实验研究了Al/Cu液/半固态/固-固复合过程中复层界面扩散、溶解及反应，金属间化合物（IMCs）形成次序、形貌及动力学；利用同步辐射三维CT成像技术无损表征了Al/Cu界面层微观组织结构，即α-Al枝晶+共晶组织（α-Al+Al2Cu）+IMCs层；利用同步辐射衍射技术研究了Al/Cu固-固复合过程中金属间化合物的种类及生成次序。此外，利用同步辐射成像技术研究了复层界面在拉伸载荷下裂纹的萌生、扩展及断裂过程；最后，利用自主研发的微型加热炉及磁场装置，成功实现了行波磁场对Sn-Pb合金凝固前沿溶质分布及枝晶生长动态调控过程的实时原位成像，对进一步理解/完善电磁场作用下合金凝固理论具有重要意义。.依托此面上项目，培养了青年教师康慧君1名，博士研究生陈宗宁、曹飞、武立3名，硕士研究生周鹏、梁春晖、赵玉飞3名。发表SCI期刊论文48篇，会议论文13篇，其中期刊论文IF>2的28篇；撰写发明专利4篇；共参加16次相关学术会议。此外，项目负责人获得：1) 2016年“长江学者奖励计划”特聘教授，2) 2015国家杰出青年科学基金，3) 2015年科技部中青年科技创新领军人才, 4) 2015年度全国铸造行业优秀青年人才奖；当选中国材料研究学会常务理事、中国复合材料学会理事；项目组牵头申报并获得2015年国家技术发明奖二等奖1项（项目负责人排名第二），2014年教育部技术发明奖一等奖1项（项目负责人排名第一），2016年日内瓦国际发明展金奖（项目负责人排名第二），辽宁省自然科学学术成果二等奖1项（项目负责人排名第一）[注：同步辐射合金凝固过程实时观测及成像装置研究工作是上述科技奖励的重要组成部分]。