流变铸造中原位合成颗粒增强镁基复合材料的凝固机理研究

流变铸造原位合成法改良制备的颗粒增强镁基复合材料具有比强度、比刚度高，减振性好等优点，在汽车、通讯设备、航空航天等领域有广阔的应用前景。镁基体在有增强相存在下的凝固过程是影响其组织性能的关键，用传统金属凝固理论无法合理解释。本项目拟重点研究流变铸造中原位合成颗粒增强镁基复合材料的凝固机理：根据热力学和动力学原理研究原位颗粒的形成机制；采用直接反应合成法并结合流变铸造技术制备镁基复合材料，探索其形成的物理机制；通过热分析法建立原位镁基复合材料流变铸造凝固过程物理模型，探索增强颗粒及其含量对凝固行为的影响规律；基于微观结构三维重构，揭示原位镁基复合材料初生Mg在过冷熔体中的演变机理，建立多粒子共存条件下凝固界面失稳判据，明确成形压力、冷却速度、固相率、合金成分与半固态浆料中剩余液相共晶凝固方式和组织形态学特征之间的关系。本项目研究成果能丰富发展凝固理论，为先进复合材料制备提供理论依据。

本项目实施期间，项目组按照国家基金管理规定及时提交项目进展报告，汇报项目研究进展情况。在工艺开发、数学建模与模拟、理论研究等方面取得预期成果，完成了项目计划任务书中的内容：依据热力学和动力学基本原理，研究了原位合成Mg2Si的形成机制；搭建了超声振动搅拌法制备原位Mg2Si/AZ91镁基复合材料实验平台，成功探索制备出了原位Mg2Si/AZ91镁基复合材料，深入研究了超声和稀土合金元素对其半固态凝固行为的影响规律及其影响机理；基于KKS 相场模型，耦合温度场、浓度场、流场和取向场，探明了流变铸造中初生Mg在过冷熔体中生长与形貌演化过程及复合材料多枝晶生长与形貌演变机理，模拟与实际吻合，阐明了流变铸造中冷却速度、固相率等与铸件凝固方式和组织形态学特征之间的关系；在三维重构基础上，建立了镁基复合材料有限元模型，确定了Mg2Si颗粒大小、体积分数、分布位置等因素与复合材料力学性能之间的关系。