变频电磁场中复相合金熔体的凝固机理与组织控制研究

In this project, horizontal rotating electromagnetic field or/and vertical reciprocating alternating magentic field within a frequency range from 50 to 5000 Hz will be employed to the liquid separation and solidification process of binary Al-In and Al-Bi monotectic alloys. The flow field induced by magentic field will be numerically calculated in order to investigate the effect of magnetic field on the heat and mass transportation. The liquid demixing pattern and the distribution characteristics of second liquid droplets versus the frequency and the way of magnetic field applied will be revealed, based on which the proper conditions for the suppression of macrosegregation will be pointed out. The mathematic model for liquid separation within magnetic field will be set up. The selection mechanism of monotectic structures versus magnetic field condition will be discussed, and the dynamic condition for the formation of uniform monotectic structure will be focused on. The micron sized SiC/Al2O3 particles will be further introduced into Al-based monotectic alloy to build up the relationship among magnetic field parameters, solidification microstructure plus the distribution of particles and mechanical properties of multiphase alloy to find out an effective way to improve physical properties for Al-based multiphase alloys.

采用频率范围为5-5000 Hz的水平面旋转电磁场和/或垂直往复交变电磁场，研究Al-In和Al-Bi偏晶合金熔体在电磁场中的液相分离和凝固机理。数值计算熔体内部流场分布，探索电磁场对凝固过程传热传质的影响。揭示液相分离方式及第二液相的分布特征随电磁场频率和施加方式的变化规律，提出完全抑制宏观偏析的电磁场条件。综合考虑电磁场引发的熔体强制对流、重力对流和热毛细对流，建立变频电磁场作用下的液相分离数学模型。阐明变频电磁场作用下的偏晶凝固组织形态选择规律，提出形成自生型均匀弥散偏晶组织的动力学条件。在此基础上，通过变频电磁场的调控作用，制备均匀弥散的SiC/Al2O3颗粒增强型Al基复合材料。建立"电磁场参数-凝固组织形态及颗粒分布特征-复相合金的物理性能"的内在联系，实现对合金熔体凝固过程和组织形成的主动控制，寻求利用变频电磁场优化颗粒增强型Al基复相合金性能的有效途径。

在合金的凝固过程中施加交变电磁场，可以引发熔体内部的强制对流，是控制合金凝固组织形态的重要手段。本项目首先设计开发了可以施加频率范围5-5000Hz电磁场的真空熔凝设备，并基于此设备，研究了交变电磁场作用下，偏晶、共晶、以及颗粒增强复合体系的凝固机制，主要内容及成果为：①发现了千赫兹级别的电磁场可以有效的抑制Al-Bi偏晶合金的液相分离，实现了大密度差异的Al，Bi两相的间隙性共存。在Al-Cu-Sn偏晶合金中，发现电磁场促使偏析分层界面（Al）相的瓦解，两个相区相互渗透，Al+Al2Cu共晶分布于整个样品高度上，并且出现了棱面生长的（Sn）相。 ② 百赫兹电磁场作用下，三元Al-Cu-Si 合金组织中的共晶间距显著降低，初生(Si)相和(Al)相的显微硬度显著提高，合金试样屈服强度大幅提高。Al-Cu合金组织中的共晶团簇平均尺寸增大了~50%，层片共晶向棒状共晶转变。③垂直往复电磁场有利于实现颗粒增强特性，并且产生了絮团状（Sn）丝覆盖的Al-Sn-Ti-B复合相。本项目的研究成果对于发展电磁凝固理论与技术，以及改善Al基复相合金的物理特性具有重要意义。. 项目研究共发表SCI索引论文32篇，其中项目负责人作为第一作者或者通讯作者论文11篇。申请发明专利7项。项目负责人作为第三完成人获得陕西省科学技术二等奖1项。