激光表面处理条件下偏晶合金熔化与凝固行为研究

本项目的核心是研究用激光表面处理的方法在金属材料表面形成一偏晶合金复合层过程中所涉及的合金熔化、均匀化和快速凝固的理论问题。具体研究工作如下：建立激光表面合金化处理条件下基体合金表层和表面涂层熔化、合金化、凝固过程中的流场、温度场、浓度场（三场）和凝固动力学控制方程，并研究耦合求解三场、凝固动力学方程和相变自由能函数的模拟方法；对Al、Al-Zn(Sn)(Cu)等合金进行表面激光合金化处理，用Al-Zn(Sn)(Cu)-Bi(Pb)、Al-Bi(Pb)偏晶合金粉末或纯Bi(Pb)粉为表面涂层材料，考察激光处理功率、合金成分、激光束移动速度、合金化粉末粒度等对表面处理层凝固组织的影响；结合实验开展模拟研究，完善所建模型，研究基体合金表层和表面涂层的熔化、合金化和凝固过程，揭示其凝固组织形成机理、影响因素及控制方法，为用激光表面合金化处理方法制备具有高质量偏晶合金表面层材料奠定理论基础

建立了激光表面处理条件下偏晶合金凝固组织演变理论模型，并给出数值求解方法。开展激光表面处理条件下偏晶合金快速凝固实验及模拟研究，揭示偏晶合金层的凝固组织形成机理及控制方法。全面完成了计划研究内容。具体研究工作及主要成果如下：. 研究分析了激光表面处理条件下合金熔化、传质、传热特点，建立了熔池内熔体流场、温度场、浓度场控制方程；分析了激光表面处理条件下熔池内弥散相液滴溶解均匀化过程和沉淀析出过程，建立了液-液相变过程中组织演变的动力学模型；建立了多元合金枝晶型凝固组织形成过程的模型；研发了耦合求解温度场、浓度场、流场，液-液相变动力学和合金热力学的模拟方法。. 对二元Al-Pb合金开展了激光表面处理实验，考察了处理工艺参数对凝固过程与组织的影响。利用所建模型模拟研究了凝固组织演变动力学过程。结果表明，在激光表面处理过程中，熔池的前部为合金熔化、弥散相溶解、合金成分均匀化区，熔池后部为快速冷却凝固区。凝固组织演变是弥散相液滴形核、长大、空间迁移等因素共同作用的结果，弥散相液滴的形核率是影响凝固组织弥散度的关键因素。. 以铝为基体，以Al-Pb-Sn粉末为覆粉材料开展了激光表面熔覆实验，实验研究了激光表面处理条件下Al-Sn-Pb合金的熔化、溶质均匀化和凝固过程及激光表面熔覆层的组织。利用所建模型模拟研究了激光熔覆层的凝固组织演变动力学过程。研究表明，当覆粉层较薄时，激光表面处理层为亚偏晶成分，在熔覆层凝固过程中，富Pb-Sn相液滴在凝固界面及附近熔体内形核，形成后很快即为固/液界面所吞并，没有时间进行长大与粗化，凝固组织中弥散相粒子尺寸较小；当熔覆层较厚，表面熔覆层为过偏晶成分时，在熔覆层凝固过程中，富Pb-Sn相液滴在凝固界面前方熔体内形核，形成后要经过液-液相变区及液-液-固三相区冷却才能到达凝固界面，因此，液滴有较长的时间长大与粗化，凝固组织中粒子尺寸较大。. 就以上研究，发表期刊论文15篇（SCI收录13篇，EI收录14篇）；参加国际会议并宣读论文4次(其中3次为邀请报告)，参加国内会议2次（均为特邀报告）；申报发明专利1项；培养硕士研究生2名（在读2名）、博士研究生4名（毕业2名，在读2名）。