镁合金凝固过程枝晶生长与粗化行为的同步辐射X射线四维原位表征研究

Magnesium alloys are one of the most important lightweight metallic material with typical three-dimensional and polycrystalline structure. During solidification of magnesium alloys, the evolution of solid-liquid interface and three-dimensional dendritic morphology will significantly determines the final solidified microstructure. Completely and precisely characterize the three-dimensional microstructure evolution during solidification of magnesium alloys and then establish the relationship between the solidification parameters and microstructure formation is critical for microstructure control, properties improvement and novel magnesium alloy design. Therefore, the binary Mg-X (Al、Ca、Zn、Sn、Gd etc.) under different solidification parameters will be studied with in-situ observation using Synchrotron X-ray tomography, to reveal the evolution of 3D microstructure during solidification and coarsening in terms of dendritic morphology, grain size, phase distribution and dendrite growth/coarsening rate, solid fraction, specific surface area and interfacial curvature etc. In addition, the orientation selection of primary and secondary dendrite arms will be characterized with EBSD technique, combining the three-dimensional dendritic morphology from the in situ observation, the diversity dendrite growth patterns would be obtained. These insights into Mg dendrite evolution during solidification will enrich the dendrite growth theory of hcp structure metal and also help both to inform and validate numerical models of the solidification microstructure of hcp materials.

镁合金是最重要的轻量化材料，其微观组织表现为典型的三维、多晶结构。镁合金凝固过程中树枝晶三维形貌的演化很大程度上决定了最终凝固微观组织。完整、准确的表征凝固过程枝晶三维微观结构的演化规律，建立能够反映凝固条件与三维微观结构的关系模型是实现组织控制、改善性能、开发新型镁合金材料的关键。借助同步辐射X射线成像技术，以Mg-X（Al、Ca、Zn、Sn、Gd等）二元合金为研究对象，实时观察其在不同凝固条件下（固溶元素、 冷速、温度梯度）枝晶三维微观结构的演化过程，获得镁合金枝晶三维形貌、晶粒尺寸以及枝晶生长/粗化速率、比表面积演化等动力学参量，揭示镁合金枝晶三维形貌的多样性及其演化规律。并通过EBSD对不同凝固条件下镁合金枝晶生长取向进行标定，结合原位观察获得的枝晶三维形貌，建立镁合金枝晶生长模型。以期完善hcp结构枝晶生长理论并为控制镁合金凝固微观组织，建立和修正镁合金枝晶生长数值模型提供参考。

镁作为一种典型的密排六方结构（Hexagonal Close-packed）金属，其枝晶形貌和生长取向受到多种因素的影响，目前对镁合金中α-Mg枝晶生长模型的描述以及多样性的起源等问题的研究都比较缺乏。由于密排六方结构（HCP）的特殊性，枝晶的三维形貌和分支结构往往更加复杂多样，研究镁合金凝固过程复杂枝晶形貌的演化以及固溶合金元素等凝固条件的影响作用对于揭示密排六方结构枝晶生长动力学，建立成形条件和凝固微观结构之间的关系模型，从而控制凝固微观结构，改善镁合金材料综合性能具有十分重要的意义。本项目基于同步辐射X射线成像技术，开展了镁基合金凝固过程三维微观组织结构演化原位观察研究，揭示了在不同凝固条件下，α-Mg枝晶在凝固过程中演化的复杂性与多样性。发现了Mg-Zn合金中随着溶质元素Zn含量的提升，枝晶生长形貌、生长取向以及分支结构会发生连续转变。定量化表征了镁合金在凝固过程中枝晶生长速率、表面形貌演化以及拓扑结构演化，获得了镁合金凝固过程三维枝晶形貌演化动力学参数，研究结果一方面表明可以通过控制固溶元素以及温度条件等参数来调节镁合金凝固微观组织结构，为实际工艺过程控制镁合金微观结构和数值模型建立提供了有力的参考依据。另一方面，实验结果也可以作为理论数值模型的建立、修正和完善的重要参考依据。通过讨论α-Mg枝晶在不同工艺条件下的生长选择模型，包括其枝晶分支结构和择优生长取向，建立了镁合金中α-Mg三维枝晶生长模型。