强磁场下难混溶合金的液－液相变动力学及非平衡凝固研究

Immiscible alloys have important applications. But, liquid flow often causes serious macrosegregation and even layering under ordinary casting conditions. In order to explore a novel casting technology with medium cooling, liquid-liquid and liquid-solid phase transformations, especially the liquid-liquid transformation kinetics, need to be investigated by controlling liquid flow. For this purpose, the binary Cu-Co system with a metastable liquid miscibility gap in the undercooled region is chosen as a model system in the present proposal. Bulk alloy samples are undercooled, decomposed in the liquid state and rapidly solidified by glass-fluxing treatment under medium cooling conditions. A high uniform magnetic field and a high gradient magnetic field are imposed on the samples to exert a large Lorentz force and a large magnetization force for controlling liquid flow of the matrix phase and migration of dispersed droplets during the liquid-liquid transformation process, respectively. Size distribution, chemical composition and substructures of the dispersed droplets are investigated as functions of alloy composition, bulk undercooling prior to solidification, intensity and gradient of the imposed magnetic fields. The nucleation, growth and coarsening kinetics of the dispersed droplets during the liquid-liquid transformation is modeled using cellular automaton. The research outlined in the proposal will produce insight into the liquid-liquid and liquid-solid transformations of liquid immiscible alloys under controlled flow conditions and provide ideas about designing the novel casting technology.

难混溶合金具有重要的应用价值，但液相内的流动使常规条件下制备的合金铸锭往往存在严重的宏观偏析甚至分层现象。为了探索难混溶合金的凝固新工艺，需要对其在控制对流条件下的液－液和液－固相变过程特别是液－液相变动力学进行研究。本项目选择在液态下具有亚稳溶解度间隙的Cu-Co合金作为模型合金，采用熔融玻璃净化深过冷技术使其在中等冷却条件下发生液－液相变和快速凝固，并在冷却过程中采用匀强磁场和梯度强磁场施加的洛伦兹力和磁化力来分别控制液－液相变过程中基体相的对流和弥散相液滴的迁移。通过分析不同成分、过冷度和磁场条件下快速凝固合金中弥散相液滴的尺寸分布、化学成分和亚结构，结合元胞自动机模拟，揭示控制对流条件下液－液相变过程中弥散相液滴的形核、长大、粗化动力学及非平衡凝固特性。项目的研究结果对于全面认识难混溶合金的液－液和液－固相变过程具有重要的理论意义，并可为难混溶合金凝固新工艺的探索提供思路和手段。

难混溶合金在工业上具有重要的应用价值，但液相内的流动使常规条件下制备的合金铸锭往往存在严重的宏观偏析甚至分层现象。为了探索难混溶合金的凝固新工艺，有必要对这类合金在控制对流条件下的液-液相变和非平衡凝固行为展开实验和模拟研究。本项目采用熔融玻璃净化和超导强磁场使Cu-Co、Cu-Fe以及Cu30Fe10Co60合金在中心磁场强度为B=0T-6T的均匀和梯度强磁场中发生了亚稳的液－液相变和深过冷快速凝固，采用高速摄影机对样品的快速凝固过程进行了原位观测，确定了过冷熔体中的枝晶生长速率，并对样品的凝固组织进行了定量分析。项目还采用元胞自动机和二维格子波尔兹曼法对Co-Cu合金液-液相变过程中弥散相液滴的长大和熟化动力学进行了数值模拟。项目的研究结果表明，施加均匀磁场对合金样品的液–液相变具有明显的促进作用。分析表明，均匀磁场的促进作用与熔融玻璃净化样品中存在的宏观温度梯度有关。与均匀磁场不同，施加梯度磁场可以促进或者减缓液相的相互分离。无论是均匀磁场还是梯度磁场，它们对过冷熔体中的枝晶生长速率都有非常显著的影响。在均匀磁场和负梯度磁场的作用下，部分合金熔体中的枝晶生长速率甚至超过了100m/s。这一超快的生长速率可能与强磁场诱发的新型热电磁对流有关。计算机数值模拟研究表明，液－液相变初期弥散相液滴的长大速率存在最大值，此后迅速下降并稳定在1 m/s左右的数量级。提高合金的溶质浓度和组元间的相互作用能都可提高相变初期液滴的生长速率。在熟化过程中，弥散相液滴的尺寸随时间延长呈现线性变化规律，而后稳定在某一数值。与此同时，弥散相液滴的数目随时间的延长呈现先快后慢的降低趋势。项目的实验和数值模拟研究结果对于认识难混溶合金的液－液相变和平衡凝固行为具有重要的理论参考价值，同时也为难混溶合金凝固新工艺的探索提供了新的思路和技术手段。