强磁场下共晶合金凝固界面前沿溶质迁移行为与界面形态转变机制

本研究将强磁场技术应用于二元共晶合金的定向凝固过程中，根据合金母液、合金组元、合金相的电导率、磁化率等物性参数的差异，重点研究均恒强磁场下的洛仑兹力和梯度强磁场下的磁化力作用下合金母液内的溶质运动行为、固液界面溶质再分配规律、固液界面稳定性和界面形貌转变（平面状－胞状－树枝状）规律。在此基础上，得到强磁场(均恒磁场和梯度磁场)作用下溶质再分配系数和界面稳定性临界条件的表征公式，阐明强磁场对固液界面形态和组织状态转变的影响机制，提出利用强磁场控制合金定向凝固过程，制备高性能合金材料的技术原型。该研究深入探索强磁场作用下金属凝固过程的传输行为以及凝固组织变化规律，提出利用强磁场控制定向凝固过程中溶质分布和界面形貌的新方法，对丰富外场作用下凝固过程基本理论、深化强磁场材料科学研究，具有重要的理论意义和应用前景。

熔体的流动和溶质的迁移行为将直接影响凝固过程中固液界面稳定性和界面形貌转变形态、进而影响材料的凝固组织。本研究提出利用强磁场控制合金凝固界面前沿溶质迁移行为及固液界面形态。在理论分析和模型研究的基础上，将强磁场技术同缓冷凝固、定向凝固、快速凝固技术相结合，针对典型二元共晶合金的熔体、合金组元和合金相之间电导率和磁化率的差异，在缓冷凝固和定向凝固过程中施加均恒强磁场和梯度强磁场，研究了强磁场下熔体流动和固液界面传输行为及其对固液界面稳定性和界面形貌的影响。通过上述研究，明确了均恒和梯度强磁场对合金凝固过程中熔体流动及溶质迁移行为的作用规律，揭示了强磁场通过作用在合金熔体和溶质上的热电磁力、洛伦兹力和磁化力来影响熔体流动及溶质迁移行为的物理机制，提出了强磁场作用下凝固界面前沿熔体流动及溶质扩散行为改变的动力学判据，明确了强磁场对凝固过程中固液界面稳定性和界面形貌演变的作用规律，澄清了强磁场作用下熔体流动、溶质迁移与凝固界面稳定性、界面形貌演变之间的相互关系，并根据上述研究结果应用到几种重要功能材料的制备过程，成功制备出定向排列磁致伸缩功能材料、梯度功能磁性材料和共晶复合材料，提出了利用强磁场控制合金的自由和定向凝固过程，制备高性能合金材料的技术原型。本课题的研究结果对丰富外场作用下凝固过程的基本理论、深化强磁场材料科学研究，具有重要的理论意义。根据本课题的研究结果，课题组在国内外重要期刊上共发表论文20篇（其中被SCI检索15篇，EI检索5篇）；发表会议论文7篇（其中做邀请报告4次）；申请和授权国家发明专利各3项；出版专著2本；获得国际发明博览会金奖和银奖各1项；获得中国专利年会发明与创新金奖和银奖各1项。课题的实施培养博士后3人（出站3人）、博士研究生3人（毕业2人）、硕士研究生2人（毕业1人）。在课题执行期间，本课题组同日本国家材料研究所（NIMS）的Yoshio Sakka教授和Noriyuki HirotaHirota高级研究员、法国兰斯大学的Jean-Paul Chopart教授、德国亚琛大学的Ming Hu教授和瑞典皇家工学院的Keiji Nakajima教授开展了联合培养博士和博士后、大型仪器设备共享等方式的合作研究。在项目执行期间，项目负责人获得了国家自然科学基金杰出青年基金项目和国家“万人计划”第一批中青年科技创新领军人才项目2项国家级人才计划资助。