强磁场复合交变电流作用下难混溶合金凝固时的相分离及组织演变规律研究

在常规重力背景及低冷却速度下(<100K/s)采用凝固法制备均质的难混溶合金一直是亟需解决的关键问题。为此,项目申请者提出,在充分利用10T量级强磁场显著抑制导电流体及粒子运动、Marangoni对流的基础上,通过复合施加合适频率的交变电流，在难混溶合金熔体中产生强大的电磁振荡力,影响其凝固时液液分离、液相形核及长大过程,抑制液相粒子凝并和破碎液相粒子,从而显著降低液相粒子粒径及其Stokes沉降速率;同时通过影响粒子的迁移路径,从多方面来减缓重力偏析,进而制备出均质的难混溶合金材料。在探索性试验取得初步成功的基础上,本项目将对强磁场复合交变电流影响难混溶合金凝固中液液分离、液相粒子形核、长大、凝并、迁移等行为的机理展开试验和理论研究,分析磁场参数、电场参数、凝固参数的协同影响规律及主导因素，以期为制备大尺寸均质难混溶合金材料提供全新的技术思路。

对难混溶合金（偏晶合金）而言，由于其凝固过程中存在液-液分离及难混溶的特性，因此在常规的重力背景下采用传统的凝固方式，无法得到组织均匀、第二相弥散分布的凝固组织，影响该种合金优异性能的发挥。而粉末冶金、快速凝固等方法在合金的性能、可成型尺寸等方面存在不足，因此开发新的制备方法成为必然的趋势。本项目提出采用电磁复合场来控制难混溶合金凝固过程的新思路，主要研究了磁场、电场、电磁体积力、凝固速率等参数对第二相粒子的形核、长大、凝并行为以及相分离过程的影响规律，同时考察了不同外场条件下难混溶合金的凝固组织演变规律。本项目取得的主要结论如下：.1.交变电磁体积力可以改变第二相熔滴的运动路径，增大熔滴下沉(或上浮)时的有效“迎风”面积，抑制其比重偏析；.2.施加电磁复合场后，难混溶合金中当第二相熔滴粒径较大（毫米级以上）时，雷诺数Re>>1，第二相液滴受惯性力作用细化；而当第二相熔滴粒径较小(微米级)时，Re<<1，第二相液滴则因为熔体内部流动及感生的洛伦兹力细化。.3.可视化物理模拟结果表明：(1)电磁复合场产生的交变洛伦兹力能导致液滴破碎，降低液滴运动速度，对于已分层合金熔体还具有使其重新混匀的作用。(2)随着电磁体积力的增大，第二相熔滴的运动速度减慢；(3)电磁体积力的频率影响存在最佳值；.4.强静磁场的施加，可以抑制第二相熔滴在垂直和平行磁场方向上的运动，进而抑制了第二相熔滴间的碰撞凝并和Marangoni对流，进而降低合金凝固组织的比重偏析和分层趋势。同时外加强静磁场对第二相熔滴的形核、扩散长大有着一定的抑制作用；.5.本项目成功实现在常规重力背景环境(g=9.81m2/s)和常规的冷却速率(25℃/min)下，采用复合电磁场方法，成功制备出均质的Zn-30wt%Bi这种具有强烈比重偏析倾向的难混溶合金材料。.本项目研究结果表明，利用10T量级强磁场显著抑制熔体及第二相熔滴运动、Marangoni对流的基础上，通过复合施加合适频率的交变电流，将在难混溶合金熔体中产生强大的电磁振荡力，影响合金凝固中的液液分离、液相形核及长大过程，同时抑制熔滴凝并和破碎液相粒子，改变熔滴的迁移路径，从而显著降低液相粒子粒径及其Stokes沉降速率，从多方面来减缓重力偏析。本项目研究为在常规重力背景和常规冷却速度下制备大尺寸均质的难混溶合金材料提供了全新的技术思路。