X射线原位观察多模式磁场下合金熔体中液滴运动与长大行为的研究

As a kind of special metal matrix in-situ composites, the homogenization of microstructure and dispersion of primary precipitated phase in immiscible alloy are the key conditions to determine its excellent properties. Due to the magnetic braking effect, magnetic force and thermal electromagnetic effect of magnetic field, the solidification process of immiscible alloy can be effectively modified by superimposing a magnetic field. Thus, the electromagnetic processing of materials is one of the frontier physical metallurgy. However, up to now, kinetics related to the precipitation of the second droplet phase in the solidification process of immiscible alloy under a magnetic field have been deeply studied. This project proposes a new idea about in-situ X-ray investigation method to study the movement and growth behavior of primary precipitated droplet under multi-mode magnetic fields (static magnetic field/alternating magnetic field) from a visualized angle. One of the aims is studying the mechanism about the effect magnetic field on the Stokes sedimentation, Marangoni migration of droplet and the collision, coalescence process between the droplets. Basing on the Hartman number, a migration kinetic model of primary precipitated droplet will be established. In addition, the other aim is discussing the optimized magnetic field parameters to realize the super refinement of the second phase in immiscible alloy. This project will offer a theoretical references for homogenization of microstructure and composition in immiscible alloy and, further, develop a new technology about manufacturing easy-segregation alloys with a homogenized microstructure.

作为一种独特的金属基自生复合材料，难混溶合金组织、成分的均匀化和先析出相的弥散细化，是决定其优异性能的关键。由于磁场具有磁制动效应、磁力及热电磁效应，施加磁场对难混溶合金凝固过程可形成有效调控，因而成为电磁冶金的前沿领域之一。但迄今为止，有关磁场对难混溶合金凝固中第二相液滴析出、长大、迁移、凝并等动力学机制，仍远未深入。本项目提出磁场下X射线原位观察新思路，采用体凝固和Bridgeman凝固手段，从可视化的角度，研究多模式磁场（静磁场/交变磁场）下难混溶合金熔体中先析出相液滴的运动和长大行为，考察多模式磁场对先析出相的Stokes沉降、Marangoni迁移和液滴间的碰撞、凝并过程的影响机制，建立基于Hartman准数的先析出相液滴的迁移动力学模型，探讨实现难混溶合金凝固组织超细化的最佳磁场条件。本项目为实现多模式磁场均质化难混溶合金成分及组织，开发新的易偏析合金均质化制备技术提供理论借鉴

难混溶合金具有超导、耐磨等独特的性能，然而其组织具有严重的重力偏析倾向，使其无法得到大规模的工业化应用。同时，以Al-Cu为代表，其组织凝固过程中存在严重的缩松缩孔等缺陷，进而产生组织和成分偏析，这类材料存在致命的安全隐患。本项目以Zn-Bi难混溶合金和Al-Cu二元合金为研究对象，采用自行研发的X射线原位观察加热炉考察磁场下合金组织受力对凝固组织演变规律的影响。同时，定向凝固的固液界面推进速度和Al2Cu初生相的生长速度都得到提高。此外，利用超高强静磁场结合高熔体过热度的方法对难混溶合金组织及第二相颗粒粒径分布进行详细的考察。研究结果表明，静磁场通过磁制动效应抑制合金熔体的自然对流现象，并通过热电磁力细化Al2Cu初生相尺寸。发现，高过热度能够提高低成分Zn-6wt%Bi难混溶合金的偏晶反应过冷度，抑制组织的遗传效应。同时，强静磁场能够显著抑制第二相液滴的Stokes沉降运动和Marangoni运动，避免组织偏析，获得组织均匀的难混溶合金。高成分的Zn-37.8wt%Bi难混溶合金研究结果表明，熔体过热度为373℃，并且磁感应强度为24 T时能够实现具有临界成分的合金均质化制备。由此表明该制备手段是一个通用技术手段，也有望制备其它各类具有偏析特征的合金体系。对于Zn-30wt%Bi和Zn-60wt%Bi难混溶合金，通过施加梯度强静磁场发现，组织中富Zn相会更多的富集于合金锭中间，而富Bi相则偏聚于底部和底部的四周。特别地，对于Zn-60wt%Bi难混溶合金，其组织中的富Zn相呈锥状。导致这种组织出现的原因主要是由于富Zn相的磁化率小于富Bi相的磁化率。在上梯度区，富Zn相受到的磁场梯度力则大于富Bi相受到的磁场梯度力。最终形成锥形凝固组织。本项目中采用自行研发的X射线原位观察加热炉对合金组织凝固和热处理过程中组织演变能够进行直接的观察和记录，有利于冶金凝固理论的验证以及新现象的发现。获得的研究结果对难混溶熔合金以及其它易偏析类合金的制备提供了全新的技术和理论支持。有利于均质难混溶合金工业化制备和应用。