异质强化形核过程中过冷度与异质相/新相界面行为的相关性

控制形核一直在金属凝固过程研究中占有重要地位，并由于其涉及到量大面广的实际铸件和铸锭，应用价值巨大。尽管通过向合金熔体中加入细化剂是一条促进形核的方便实用的方法，但发挥合金熔体中已有的固体质点(夹杂)的异质形核作用，使其"变废为宝"，对改善铸件(锭)质量具有更现实的重要意义。本项目选择Fe基和Al基模型合金，添加微量合金元素，通过对合金熔体进行无容器处理和玻璃体净化，使熔体具有较大的本征过冷度，然后添加不同异质相(合金中可能存在的氧化物)触发过冷合金熔体形核，从而甄别这些异质相触发形核的特征过冷度，分析异质相发挥异质形核作用时异质相/新相的界面行为和微量元素的影响，揭示异质相/新相的界面行为及其与形核过冷度的相关性，为判断不同异质相促进形核的难易程度、调控界面行为进而强化异质相的形核作用提供理论依据。

界面行为是影响异质形核的主要因素，其研究对于凝固、界面润湿及晶体细化等技术具有十分重要的意义。本课题设计了一种受控形核技术使得形核可以在特定的异质形核基底表面发生，进而通过分析研究异质形核过程中的新相与形核基底的界面行为推测形核界面的形成及生长规律。异质形核过程的形核能垒可以通过测量新相在异质基底上的形核过冷度同时获得。.为实现上述目的，本课题选用具有不同晶面取向的Al2O3，MgO单晶氧化物作为形核基底，以高纯Al及Al-Ce、Al-Sb等合金为形核相，通过气悬浮实验装置测定高真空下形核相的形核过冷度作为金属及合金的“赝均质形核过冷度”并在真空条件下测得研究对象在单晶异质形核基底上触发熔体形核的过冷度，对比赝均质形核过冷度及异质形核过冷度以确定所研究的异质形核为单晶异质形核基底触发。对形核界面的研究重点探讨了形核基底的晶体取向及晶格参数对形核相生长取向的影响，异质相与形核相之间的晶格匹配度与异质相触发形核的过冷度的关系以及合金元素对形核过程的影响。.XRD结果表明基底取向会显著影响形核相的择优取向，从而使得不同取向的异质相和形核相之间会形成不同的错配度。根据Bramfitt二维错配度计算出二者之间的错配度，可以得到界面晶格错配度与形核过冷度之间的关系。.对于Al/Al2O3系统，当二者之间的错配度较小时(f < 13%)，过冷度和错配度的平方成正比，与形核相匹配度越好的异质相，其触发形核所需的过冷度越小，形核过冷度ΔT满足ΔT=0.09f2；而当f > 13%时，过冷度随着错配度的增加而线性减小，ΔT=37.31-0.73f。.进一步的TEM和HRTEM观察发现，f < 13%时，界面是平直的，新相Al直接在Al2O3的表面形核生长；而f > 13%时，形核界面处发现不同厚度的中间应变层，应变层中存在微孪晶缺陷，EDS确认为Al，这种微孪晶结构在其他文献中也曾报道过。应变层的存在使得Al/ Al2O3的界面能降低，从而使过冷度降低。.对于Al/MgO系统，其形核过冷度不受基底取向的影响，因为界面处生成MgAl2O4反应层，反应层覆盖了整个界面，成为新的形核基底]。因此虽然MgO基底取向不同，但是其形核过冷度趋于一致。.当Al熔体中添加1wt%合金元素Ce、Sb时，金属间化合物Al11Ce3和AlSb会影响熔体的择优取向及过冷度。由于AlSb与Al的错配度25.3%