超常条件下多元偏晶型合金的相分离与凝固机制

采用超声悬浮和自由落体两种超常实验条件，实现三元Fe-Sn-Si/Ge、四元Fe-Sn-Cu-Si/Ge和五元Fe-Sn-Cu-Ag-Si/Ge等偏晶型合金的深过冷和快速凝固。研究不同过冷度、冷却速率和温度梯度条件下多元偏晶合金的相分离和微观组织演化规律，探索传热传质过程对液相分离和溶质截留的作用机制。分析深过冷多元偏晶合金快速凝固过程中壳核组织和偏晶胞的形成条件和控制途径。根据分子动力学计算深过冷合金熔体的表面张力和扩散系数等热物理性质，并测定不同过冷度条件下初生固相的枝晶生长速度，据此进行多元偏晶合金快速凝固过程的相场模拟计算，揭示其内部温度场、浓度场和流动场的变化特征，阐明超常凝固条件下合金熔体的运动状态与组织演变的相关规律。

采用电磁悬浮、熔体浸浮和自由落体方法实现了纯Fe、二元Fe-Cu和三元Fe-Cu-Sn、Co-Cu-Pb等难混溶合金的深过冷与快速凝固，发现在熔体浸浮条件下，二元Fe-Cu合金总是表现出密度大的富Fe相上浮，而密度小的富Cu相下沉的组织形态，而三元Fe45Cu45Sn5合金具有双重凝固机制，即在中小过冷度条件下凝固组织表现为粗大枝晶结构，宏观结构均匀，而当过冷度大于196K时，随着过冷度的增大，宏观偏析特征越来越明显，当过冷度达到305K时，相分离进行得很彻底，形成富Fe区上浮于试样顶部的组织形态。在自由落体条件下，偏晶合金总是呈现出由多层壳核组织向两层壳核结构转变的动力学特征，采用相场模拟结合Marangoni迁移分析可知，在相分离过程中，Marangoni迁移起主要作用，并且溶质Marangoni迁移大于热Marangoni迁移速率，促使第二相微滴向表面迁移。另外可知，Marangoni迁移、表面偏析、冷却速率和相分离时间在相分离过程起着重要作用。