热电磁效应对Al-Cu-Ag三元合金定向凝固组织影响机理的研究

The previous study on the effect of a high magnetic field on the growth of metallic alloys mainly focused on the single phase solid solute alloys and binary eutectic alloys, the solidification process of multi-phase alloys has never been studied before. This project aims to investigate the effect of a high magnetic field on the growth and microstructure of the Al-Cu-Ag ternary eutectic alloy by the directional solidification. For the univariant eutectic growth (L→α(Al)＋Al2Cu), the effect of high magnetic field on the stability of eutectic solid/liquid interface and the microstructure with the help of multi-physics numerical simulation and the measurement of solute distribution ahead of the interface will be studied. For the invariant eutectic growth (L→α(Al)＋Al2Cu＋Ag2Al), the effect of a high magnetic field on the ternary eutectic microstructure and the preferred orientation relationship between eutectic phases will be studied. Through the above investigations, the thermoelectric magnetic effects on the growth of Al-Cu-Ag ternary eutectic alloys is proven up. Finally, the solidification process of ternary eutectic growth under the thermoelectric effects is deepened and the use of a high magnetic field to control the solidification microstructure is broader.

强磁场下金属凝固研究目前多局限于单相固溶体合金和二元共晶合金，对多元合金的凝固过程尚未建立起完善的理论模型。本项目以Al-Cu-Ag三元共晶合金作为研究对象，采用定向凝固技术研究强磁场下三元合金的演化规律和凝固生长模式。对于两相共晶生长过程(L→α(Al)＋Al2Cu)，研究强磁场对共晶界面组织形貌的影响规律，结合固/液界面前沿不同尺度的多物理场数值模拟以及界面前沿溶质元素分布的分析，揭示强磁场下共晶界面稳定性和凝固组织演变机制；对于三相共晶生长过程(L→α(Al)＋Al2Cu＋Ag2Al)，研究强磁场对三相共晶组织形貌和共晶相位向关系的影响规律，明确磁场对共晶相间溶质扩散和界面能的作用机制。通过以上研究，探明强磁场下热电磁效应对三元共晶合金生长的影响机制，有助于深化对三元合金凝固过程的认识，并为有效利用强磁场调控合金凝固组织奠定基础。

项目研究了静态磁场（SMF）辅助下定向凝固Al–Cu–Si合金过程中微观结构和结晶的演变。我们的结果研究了施加的磁场如何将胞状共晶结构改变为正常共晶结构；此外，胞状共晶间距和层间间距随着磁场强度的增加而减小。电子背散射衍射（EBSD）结果表明，SMF将a-Al和Al2Cu相之间的晶体取向关系（OR）从异常关系[γ4:Al（001）//Al2Cu（011）]改变为正常关系[β6:Al（111）//Al2Cu（211）]。α-Al相中的Cu含量随着磁场强度的增加而降低。共晶微观结构和位向关系的演变可归因于热电磁效应，其改变了坩埚和共晶尺度上的溶质分布。另一方面，激光粉末床熔化（LPBF）在金属零件上的应用也在迅速增加。然而，使用LPBF制造的零件具有高孔隙率和粗糙表面，这严重阻碍了该技术的发展。在这项研究中，使用高达0.2T的静磁场（SMF）在宽范围的参数空间下制造了典型的Al基合金（AlSi10Mg）。对使用和不使用磁场制备的样品的比较表明，磁场细化了晶粒尺寸并改善了机械性能。此外，基于物理的模型，包括塞贝克效应、传热和熔体池中的流体流动，用于模拟LPBF期间的热电磁（TEM）力和流动模式。模拟结果表明，在熔池尺度上，凹陷区深度随着磁场强度的增加而增加，而相应增加的激光吸收率是导致缺少熔合缺陷的主要原因。除了熔池尺度上的流型变化外，作用在蜂窝状枝晶上的TEM力也在晶粒细化中起着重要作用，在0.1 T的SMF下达到105N/m3。此外，拉伸试验的结果表明，在施加的磁场条件下，印刷样品的极限拉伸强度和伸长率增加。本研究可指导LPBF的孔隙率控制和工艺窗口的拓宽。