高压凝固大固溶度超饱和固溶体生长界面稳定性与相转变机制研究

通过高压凝固原位引入大固溶度超饱和固溶体来增韧金属间化合物具有重要的应用前景。这种增韧方法需要对高压凝固大固溶度超饱和固溶体生长形态演化及相转变规律具有深刻的认识，但是目前相关研究还很不深入，很多基本的理论问题尚不清楚。本项目针对高压凝固大固溶度超饱和固溶体生长界面稳定性及相转变机制等基本科学问题，选择Al-Mg合金体系经高压凝固制备的大固溶度超饱和固溶体为研究对象，通过系统的高压凝固实验、理论分析和数值模拟来揭示不同压力、成分和冷却速度条件下大固溶度超饱和固溶体生长形态演化规律、界面所处的实际状态、溶质分布规律及扩散机制。揭示压力扰动对大固溶度超饱和固溶体生长动力学、界面状态、界面过冷度、生长形态稳定性的影响。建立较完善的考虑凝固压力扰动影响的生长界面稳定性模型。同时研究常压下不同成分的大固溶度超饱和固溶体第二相析出热力学与动力学机制、组织形成与演化规律。

以Al-Mg系合金为研究对象，在GPa级压力下熔化与凝固，通过实验、理论分析以及数值模拟研究了高压凝固大固溶度超饱和固溶体生长界面状态、溶质分布规律及扩散机制、界面过冷度（过热度）随压力的变化等基本规律，压力、成分和冷却速度对大固溶度超饱和固溶体生长动力学和界面稳定性的影响，考虑凝固压力扰动影响的生长界面稳定性模型。研究了大固溶度超饱和固溶体热力学稳定性、常压下不同成分的大固溶度超饱和固溶体第二相析出热力学与动力学机制、组织形成与演化规律、第二相形成过程及分布规律。通过研究与理论分析，揭示了不同压力、成分和冷却速度条件下大固溶度超饱和固溶体生长形态演化规律、界面所处的实际状态；分析了GPa级高压凝固溶质分布规律及扩散机制、生长界面曲率过冷度和成分过冷度的耦合机制、界面过冷度（过热度）随压力和合金成分的变化规律；揭示了压力对大固溶度超饱和固溶体生长动力学、界面状态、界面过冷度、生长形态稳定性的影响规律,建立了凝固压力扰动影响的生长界面稳定性模型；获得了大固溶度超饱和固溶体常压下时效处理组织形成与演化规律、第二相形成过程及分布规律; 阐明了高压制备不同成分的大固溶度超饱和固溶体常压下第二相析出热力学与动力学机制；通过GPa级制备大固溶度超饱和固溶体，使得常压下为金属间化合物的材料由脆性材料向塑性材料转变，获得了具有一定塑性金属间化合物材料的制备方法。制备出尺寸为Ф20x18mm的Al(20Mg)大块完全过饱和固溶体。由于大块过饱和固溶体的制备主要由压力和成分影响，与尺寸相关性小，因此GPa级高压下熔化和凝固可以制备大尺寸完全过饱和固溶体，这提供了获得大块完全过饱固溶体的方法。同时，Al-20Mg在常压下凝固为脆性材料，在2GPa以及3GPa压力下转变为塑性材料，延伸率可达到11%。3GPa压力下凝固的抗拉强度是常压凝固下的8.0倍。Al-30Mg合金3GPa压力下凝固后Al-30Mg抗拉强度是常压凝固的14.3倍，延伸率达到2%；Al-40Mg合金强度是常压凝固的11.2倍，并且具有了一定塑性。开发了制备大块大固溶度超饱和固溶体的方法，揭示了高压凝固制备大固溶度超饱和固溶体的生长方式和性能演变规律，为大固溶度超饱和固溶体的制备提供理论和工艺基础。