电流作用下偏晶合金连续凝固过程研究

Generally monotectic alloys show a solidification microstructure with serious phase segregation due to the liquid-liquid decomposition. Researches in recent years indicate that 1) the nucleation and spatial motions of the minority phase droplets have a dominating effect on the microstructure formation of monotectic alloys; 2) continuous solidification technique has great potentials in the manufacturing of monotectic alloys. Considering that a direct current and a pulsed electric current (simply in the following "electric current") have great effects on the nucleation and the spatial motions of a precipitating phase, this project will study the solidification behavior of monotectic alloys under the effect of electric current. The detailed research contents include: develop the numerical models for the flow field, temperature field, concentration field as well as the solidification kinetics during solidification; study the solidification mechanisms of monotectic alloys under the effect of electric current by using Al-Bi, Al-In etc as the model alloys; probe into the effect of electric current, alloy composition, conductivities of phases and solidification parameters on solidification microstructures; investigate the possibility to promote the formation of a well dispersed microstructure or a core/shell type microstructure by controlling the solidification process of monotectic alloy with a properly selected electric current. These researches will establish theoretical bases for manufacturing high quality monotectic alloys by using the solidification technique of alloys under the effect of electric currents.

偏晶合金熔体冷却凝固过程中首先发生液-液相变，极易形成偏析组织。近年来研究表明，1）弥散相液滴的形核率和空间迁移特性是影响偏晶合金弥散型或核/壳结构型复合凝固组织的获得的关键；2）连续凝固方法在偏晶合金凝固机理研究和工业制备上应用前景良好。据此，考虑到直流电流、脉冲电流（通称"电流"）能显著影响析出相形核和空间迁移特性，本项目拟研究电流作用下偏晶合金凝固行为，具体包括：建立电流作用下偏晶合金凝固过程中流场、温度场、浓度场和凝固组织演变的理论模型，并给出其耦合数值求解方法；以Al-Bi、Al-In等为代表，实验与模拟相结合，研究电流作用下偏晶合金连续凝固过程中组织形成机理，考察电流参数、合金成分、凝固工艺以及弥散相液滴与基体熔体电导率等对凝固组织的影响；探索用电流控制偏晶合金凝固过程，制备弥散型和核/壳结构型偏晶合金复合材料的可行性，为用电流作用下的合金凝固技术制备高性能偏晶合奠定理论基础。

电流对合金凝固过程具有重要影响，电流作用下合金凝固行为是材料科学领域的重要研究内容之一，本项目针对缺少有关电流作用下偏晶合金凝固行为研究的现状开展研究，发展了电流作用下偏晶合金凝固理论，探明了电流影响偏晶合金凝固的机理，全面完成了计划研究内容。具体研究工作及主要成果如下：. 建立了描述电流作用下偏晶合金连续凝固过程中组织演变的数学模型，研发了耦合求解温度场、浓度场、凝固动力学与热力学的模拟方法。实验与模拟相结合，研究了电流作用下偏晶合金连续凝固组织演变过程，发现：1）直流电流主要通过改变液-液相变过程中弥散相液滴（以下简称“液滴”）的空间迁移来影响合金凝固过程及组织。当液滴的电导率小于基体熔体的电导率时，液滴在电流作用下由试样中心向表面迁移。当液滴的电导率大于基体熔体的电导率时，液滴在电流作用下由试样表面向中心迁移。可以利用直流电流作用下的连续凝固技术控制偏晶合金凝固过程，制备具有壳/核结构的特种合金线/棒材料；2）脉冲电流主要通过改变液-液相变过程中液滴的形核能垒影响合金凝固过程及组织。当液滴电导率小于基体熔体电导率时，脉冲电流提高液滴的形核能垒，降低液滴形核率，促进偏析型凝固组织的形成；当液滴电导率大于基体熔体电导率时，脉冲电流降低液滴的形核能垒，提高液滴形核率，促进弥散型凝固组织的形成。可以利用脉冲电流作用下的合金凝固技术控制偏晶合金凝固过程，制备弥散型偏晶合金复合材料。. 就以上研究，发表期刊论文18篇（SCI收录15篇，EI收录17篇）；参加国际会议8次(其中7次为邀请报告)，参加国内会议2次（均为邀请报告）；获授权发明专利2项；培养博士研究生4 名（毕业2名，在读2名）、硕士研究生2名（毕业2名）。