金属磁脉震液流共晶自组织模板晶间渗透效应研究

Eutectics can form various microscopic structures such as platelike or fibre-rodlike structures by a way of its self-organization. Because of the electrode potential difference of eutectic compounds, the porous substrates with a variety of micro-morphologies and over length scale can be produced by using the selective corrosion. In principle, using such substrate as a template combined with the process of selective corrosion may prepare the various forms of metallic or alloyed micro-structures. But due to the geometrical scale effects and the interfacial effects, the melt flow in the porous template will be blocked up. Based on the principle of capacitor electric discharging to produce a pulsed magnetic field (PMF) which can instantaneously reach to a high magnetic intensity, the oscillating electromagnetic waves induce the "pulsed-vibration" impactive flow, which will promote the filling ability of liquid fluid in the template. The impact factors, including the eutectic components, directional solidified parameters and the control of selective corrosive velocity and such process parameters, which influence the self-organized morphologies of nickel and nickel-aluminum eutectic templates, such as hole shape, hole density and hole depth, ect., will be investigated in this project. It will be discussed that some interfacial characteristics including the wettability of Al-base metallic liquid on the Ni，NiAl-base porous template and the interface transition layers and so on, and that the effect of PMF on the penetration of metallic liquid flow in the template holes. Research on the rheological behaviors of magnetic impulsed liquid flow in the template holes and the physical models representing the relationship between the characteristic dimension of template holes, hole wall surface morphology and magnetic intensity, temperature transfer. Combining the electromagnetic metallurgy technology with manufacture technology of micro/nano structures promotes the cross and fusion of disciplines.

共晶体通过自组织方式可形成层片状、棒状等微观结构，利用共晶体组成相电极电位差异可以选择性地腐蚀制备出多种微结构形貌、超长尺度多孔基底，以此基底为模板再结合选择腐蚀原则上可以制备出各种金属及其合金的微结构。但是由于几何尺度效应及其界面效应，金属液在模板间的渗流受到阻碍作用。基于电容放电原理产生的脉冲磁场可瞬间达到高的磁场强度，震荡的电磁波诱发"脉震式"冲击流，将促进液流在模板间的充填能力。本项目拟研究镍基、镍铝共晶模板孔形、孔密度和孔深等自组织形态的影响因素，包括共晶体组分、定向凝固参量以及选择性腐蚀速率的控制等工艺参量；探讨铝基金属液与共晶多孔模板间的润湿性、界面过渡层等界面特征，脉冲磁场对金属液流在模孔中渗透性的影响；探究磁脉震液流在模板孔中的流动行为，模孔特征尺寸、孔壁表面形态以及磁场强度、温度传散的相关性及其数理模型。将电磁冶金技术与微/纳米结构制造技术的结合，促进学科的交叉融合。

模板法目前仍是纳米材料制备和功能性微/纳结构制造的重要方法之一。本项目利用共晶材料定向凝固过程中的自组织现象生成规则的双相复合结构，再结合选择性腐蚀溶解去除其中一组成相，构筑由另一相构成的规则多孔模板。在系统地研究NiAl-W（Re）共晶和Ni-Ni3Si共晶合金组织结构调控规律性的基础上，实现了规则孔NiAl模板（选择性地溶解纤维W相或Re相）和规则层片Ni3Si模板（选择性地溶解Ni相）的制备。探究共晶组织结构、模板尺度特征与定向凝固速率、电极电位（恒电位或脉冲电位）的动力学相关性及其腐蚀溶解过程中的电化学表征。分析研究NiAl模板规则性多孔结构对基体显微硬度的影响以及Ni3Si多层结构的软磁特性，由金属间化合物构成的共晶模板比较常规的多孔模板，具有高的力学性能和优异的磁学等功能性，选择性地充填其它材料可实现微/纳尺度（几百纳米）功能性复合结构的制造。以NiAl模板为基底，实现了Co直接电沉积于模板孔中，观察花瓣状Co点在模孔中W相表面形核和长大的动力学过程，形成了一种磁性Co点列制备的新方法。对比研究了Ni-Ni3Si共晶和Ni3Si模板磁性能差异，表明Ni3Si模板在低温下表现出明显的铁磁性。脉冲磁场产生的电磁力（搅拌力和磁压缩力）促进熔体主体的强制对流和对多孔模板表面的冲刷作用，模板多孔结构对熔体运动的拖曳作用形成沿模板通道轴向速度分量，具有促进熔体向模板中充填的作用。物理充填法具有比电沉积化学法更为宽泛、灵活的充填材料选择空间。本项目采用脉冲磁场与真空负压吸渗相结合的方法，拟实现熔体对多孔介质或多孔模板的物理充填。实验研究脉冲磁场所带来的金属熔体磁致振荡现象以及磁场峰值强度与液面波动幅值的对应性，并建立脉冲磁场作用下真空负压吸渗的数理模型，实施有限元分析。以多孔不锈钢毡（孔隙率为微米级）为模拟模板，探究熔体真空负压吸渗行为与脉冲磁场位置以及磁场峰值强度的相关性，初步实现了低熔点合金对Ni3Si模板的物理法充填。本项目的工作积累，为NiAl和Ni3Si共晶模板的功能性开发奠定了基础。