静电悬浮条件下新型锆基合金的快速凝固机制与组织调控研究

The zirconium-based alloys not only serve as the key structural material in nuclear reactors but show a great potential for active components in the aerospace industry. The researches on the rapid solidification mechanisms are of important scientific significances for improving their application performances. In this foundation proposal, to accomplish containerless rapid solidification of ternary Zr-Nb-Sn and Zr-Ti-Si alloys, the electrostatic levitation technique is utilized to reduce the heterogeneous nucleation caused by the oxidation of high temperature melts. The investigation on surface charge distribution and thermal radiation process of an electrostatically levitated melt is conducted to study the levitation dynamics of Zr-based alloys. The experimental determination and molecular dynamics simulation are combined to comprehend the influence of alloying elements on liquid structure and crystal nucleation. To explore the modulation mechanism of thermodynamics and kinetic parameters on solidification, we focus on dendrite growth kinetics, microstructural evolution, grain refinement, and micro-segregation characteristics during rapid solidification process. The analyses on application performances of rapidly solidified Zr-based alloys, such as mechanical and thermal expansion properties, high-temperature oxidation resistance and corrosion resistance abilities, are carried out to reveal the intrinsic correlation between rapid solidification and the physicochemical properties. On the basis of these experimental studies and theoretical analyses, we develop an effective approach for promoting application performances of new Zr-based alloys through the containerless melting and solidifying under electrostatic levitation condition.

锆基合金是核反应堆的关键结构材料，也是航空航天领域的新材料。快速凝固机理研究对提升其应用性能具有重要科学意义。本项目针对三元Zr-Nb-Sn和Zr-Ti-Si合金，采用静电悬浮技术突破高温合金熔体易氧化并引起异质形核的难题，实现液态Zr基合金的深过冷快速凝固。研究合金熔体在静电场和温度场耦合作用下的电荷分布及传热规律，分析液态合金的静电悬浮动态过程。通过实验测定与分子动力学模拟，研究熔体结构和晶体形核机制，考察合金化元素对团簇结构和形核过程的影响规律。重点研究静电悬浮快速凝固过程中枝晶生长动力学规律，分析凝固组织演化、晶粒细化及微观偏析特征，探索热力学及动力学参数对组织的调控机理。重点针对宏观、微观力学和热膨胀等物理性能，以及高温抗氧化及耐腐蚀等化学性能进行深入分析，揭示Zr基合金的快速凝固组织与物理化学性能之间的本征关系，发展一条通过静电悬浮熔凝技术提升其应用性能的有效途径。

锆基合金是核反应堆的关键结构材料，其液态热物理性质和通过无容器快速凝固调控组织性能是亟待解决的关键问题。本项目解决了静电悬浮锆合金熔体的温度标定和精确控制关键技术，并研制了耦合深过冷和急冷条件的新型快速凝固成形制备技术，探索集合“合金物性－快速凝固－组织调控”的高性能锆合金制备的新途径。主要针对锆合金，同时也拓展到难熔高熵合金，开展了以下六方面的实验研究和计算模拟工作：（1）系统测定了核用Zr-Sn-Nb系锆合金的液相线温度、密度、热膨胀系数等热物理性质，为核材料设计及反应堆热模拟提供必要数据。（2）揭示了Zr合金的枝晶生长动力学以及显微组织演变规律；制备了大体积Zr-Sn-Nb合金试样，建立快速凝固传热模型，分析了冷却速率对组织形态的影响。（3）利用静电悬浮熔体精确控温技术，纯Ti熔体最大过冷度352K时的枝晶生长速度高达122m/s，这是迄今为止金属材料快速凝固实验达到的最高值。结合分子动力学计算阐明超快速生长归因于其较窄的界面扩散层。（4）首次实现了由五个最难熔金属组成的五元等比WReTaMoNb高熵合金的快速凝固单晶生长，揭示了单晶生长的热力学和动力学条件，并分析了元素的分布特征和微观力学性能。（5）结合热分析和静电悬浮测定了WReTaMoNb难熔高熵合金的热物性，计算了合金的热力学函数，为相图计算提供了参数。（6）主持设计并研制了先进金属材料新型熔凝制备实验装置，成功应用于中国空间站首批材料科学实验样品的制备。经第三方科技成果鉴定为国际领先水平。.相关研究结果在国内外主流期刊上发表学术论文11篇，包括《中国科学》主编邀稿综述论文1篇，获授权发明专利5项，申请4项。以主持人获科技成果鉴定1项，合作者获中国材料研究学会技术发明一等奖1项。项目负责人晋升教授，并获批陕西省杰出青年科学基金项目。研究成果为新型核级锆合金的设计和成形制备提供了重要的实验数据和理论支撑，将推动新型核结构材料的研创。