小平面包晶合金凝固过程的电场调控及同步辐射成像

Peritectic reaction widely occurs in the fabrication process of engineering and functional materials. The process condition of peritectic reaction can influence the morphology and volume fraction of the two phases, and then affects the mechanical and physical properties of materials. At present, the researches concerning the peritectic reaction mainly focus on the alloy systems with the solid solution as the primary phase. However, the cases of the intermetallic compound as the primary or peritectic phase are scarcely studied. The growth of intermetallics usually exhibit an anisotropic facet mode which can easily form the coarsen microstructure and different morphologies. This project will take the facet peritectic alloy system as the research objective to study the way to effectively control the microstructure and morphology of the intermetallics. The phase selection and solidification behavior during the peritectic reaction process will be in situ observed, 3D reconstructed and in situ diffraction characterized by means of hard X-ray synchrotron radiation observation, 3D reconstruction and diffraction. In addition, the effect of application of electrical fields (including direct, alternating and pulsed currents) on the peritectic solidification behavior will also be investigated. Furthermore, the influences of solidification velocity, temperature gradient, heating temperature and the addition element on the peritectic reaction will be revealed. The results can not only enrich and develop the solidification theory based on the non-facet growth, but also can provide the technology support to the fabrication of new materials through the peritectic reaction with the intermetallics as the primary phases.

包晶反应广泛存在于许多结构和功能材料中。不同生长条件下的包晶反应过程将直接影响两相的形态及体积分数，进而影响材料的力学及物理性能。目前对包晶合金凝固的研究主要集中在初生相为固溶体的包晶合金体系，而对领先相或者两相属于金属间化合物的包晶合金系统研究少有涉及。金属间化合物通常呈现具有强各向异性小平面生长方式，易形成组织粗大、形态各异的形貌。为了有效控制金属间化合物组织的生长形貌，本项目拟以小平面包晶合金体系为研究对象，基于同步辐射硬X射线原位监测、三维立体成像与衍射技术，对电场（直流、交流、脉冲电流）作用下包晶合金凝固过程中的相选择与凝固行为进行实时检测、三维立体重构和原位衍射表征，并探索凝固速度、温度梯度、加热温度和第三元素对凝固过程的影响机制，研究结果不仅可以丰富和发展现有基于非小平面生长基础上的现代凝固理论，也为通过包晶反应制备具有金属间化合物包晶相的新材料提供技术支持。

在国家自然科学基金面上基金(51574058)的资助下，针对包晶合金中初生相为小平面相研究中存在的不足与困难，以Sn-10Cu包晶合金为研究对象，基于同步辐射硬X射线原位监测、三维立体成像技术，通过施加直流及脉冲电场的方法研究包晶合金凝固过程糊状区内的相选择与凝固行为、界面稳定性、界面形态演变、成分过冷及固/液界面前沿的溶质再分配等，实现对包晶合金凝固过程中相选择与凝固行为的实时检测、三维立体重构，揭示不同凝固条件和电场加入对复杂金属间化合物生长行为的影响规律。另外，通过将第三组元变质剂Ni加入到包晶合金系，研究少量第三组元的加入对其凝固特性形成的影响，探讨了第三组元加入后金属间化合物的三维形貌特征与生长机制。.同步辐射断层扫描三维分析显示包晶相Cu6Sn5为六角雪片状三维形态。本项目以二维原位观测手段研究了直流、脉冲电流以及垂直交互电流三种外场中Sn-10Cu包晶合金动态凝固生长行为。（1）发现电流对初生相Cu3Sn的抑制行为，以及对包晶相Cu6Sn5晶粒尺寸的调控作用。（2）脉冲电场对包晶相的细化效果较直流电场更加明显（3）垂直交互电场作用中，出现枝晶臂出现分叉现象，X-型包晶相通过分叉有向花瓣型包晶相转变的趋势。.Sn-10Cu中微量Ni的添加对初生相Cu6Sn5有明显抑制效果。通过冷却曲线分析、凝固过程原位观测、铸态合金显微结构SEM观察。发现0.05-1wt%Ni能够完全抑制初生相Cu3Sn，使Cu6Sn5直接从熔体中形核。通过EPMA面分析，发现Ni元素主要富集于Cu6Sn5晶粒中心，促进Cu6Sn5从熔体中直接析出。.对Sn-10Cu-1Ni合金施加脉冲电场，发现随着脉冲电流密度从0增加到200A/cm2，(Cu, Ni)6Sn5逐渐呈现出与方向相关的形态，重力偏析引起的“自我中毒”现象减弱，且相邻晶粒之间的竞争生长明显减弱。此外，以玻尔兹曼函数作为模型，对四种不同电流密度下的晶粒密度与温度的关系进行了拟合，拟合方程与数据相关性良好R2>0.995，本研究提供了一种以施加电场的方式调控(Cu, Ni)6Sn5形貌的技术手段。