铸造镁合金三维枝晶形貌与组织性能研究

工程材料的微观组织特征表现为典型的三维、多晶结构，对材料微观组织的综合信息进行三维实验表征和数值建模是材料科学发展的前沿方向。在合金的凝固微观组织中，树枝晶组织是最重要的一种，研究枝晶的形成机理、三维形貌、演化过程及抑制枝晶的出现有着重要的理论意义和实用价值。镁基合金因其不同于立方晶系的独特密排六方结构（hcp）对研究工作提出了很多新的科学问题，因而对铸造镁合金凝固微观组织开展三维实验和模拟研究意义重大。然而，目前对应该如何描述及预测复杂形貌的三维枝晶组织的形成及演化等问题还很不清楚。本课题拟对镁合金的凝固组织进行三维实验表征，获得综合的三维信息（如具体相的体积分数、表面积、边界长度及晶界图谱等），并提出完善的镁合金微观组织模拟的相场模型，通过实验数据及相场模拟结合的手段对铸造镁合金的三维组织形貌、枝晶特征、组织演化机理等进行描述和预测，以期完善枝晶理论并为控制凝固组织提供可靠的数据支持。

镁合金作为当前工业生产金属材料中最轻的材料之一，由于其轻量化优点，在汽车、航空航天、国防建设以及信息技术产业领域具有十分广泛的用途。和其他传统材料相比，镁合金具有比刚度和比强度高，减震效果好，铸造性能优良，易于成型和回收等优点。尤其是近年来随着国家对节能减排，环境保护的强烈需求，极大地促进了镁合金在电力、储能和交通运输等领域的广泛应用，因而对轻质合金，例如镁合金的研究尤其是微观结构的研究对于改善镁合金的综合力学性能，拓展镁合金在各个领域的应用具有十分重要的实际意义。.通过对Mg-Al（hcp-fcc），Mg-Zn（hcp-hcp）合金系（构成大多数商用镁基合金包括铸造镁合金和变形镁合金的基础）以及Mg-Ca（hcp-fcc）等合金系（构成生物和医学用镁合金基础）进行系统的砂型铸造和定向凝固以制备试样，结合高能同步辐射X射线三维成像技术、EBSD表征技术获得了多种合金系中初生相alp-Mg真实三维枝晶形貌，枝晶生长方向等三维信息。实验结果显示，合金元素在枝晶的生长形貌和生长方向的选择中扮演了重要的角色。在Mg-Al合金系中，初生相α-Mg枝晶在基面上以<112 ̅0>为择优生长方向，垂直于基面的生长方向受到限制，因而其三维空间结构表现为完美六次对称的雪花板状结构；在Mg-Zn合金中，受到Zn元素较强的各向异性因素的影响，其三维枝晶形貌以及择优生长方向都表现为空间上的复杂性和多样性。除了传统的<112 ̅0>和<224 ̅5>择优方向以外，在定向凝固Mg-Zn合金中，同时还发现主干枝晶沿着靠近<213 ̅1>的方向生长。然而在Mg-Ca合金中，无论是在等轴生长还是定向生长条件下，α-Mg枝晶都是以<112 ̅0>和<224 ̅5>为择优取向。在获得了镁基合金α-Mg真实三维枝晶形貌和生长方向的基础上，基于单晶和多晶的相场模型，提出了适用于单一择优取向以及多个择优取向的各向异性函数，利用相场方法对α-Mg枝晶的等轴和定向生长分别进行了系统的模拟分析，模拟与实验的结果都表明hcp结构的树枝晶三维形貌比以往认识的雪花状结构要复杂的多。即初生相α-Mg的三维枝晶形貌除了受到外界温度条件以及形核基底等因素的影响以外，固溶元素以及枝晶之间的相互作用也会对枝晶形貌多样性的形成产生重要影响。