超声悬浮液体Ti基合金的传热传质和凝固机理研究

Ultrasonically levitated alloy melts present special heat and mass transfer characteristics. This provides an ideal condition for investigating the rapid solidification process of highly undercooled liquid alloys. In this project, high undercooling and rapid solidification of binary Ti-Si and ternary Ti-Fe-Si alloys are achieved by containerless processing method using ultrasonic levitation. The extraordinary movement and heat transfer of the alloy melts are studied to reveal the effect of shape oscillation, inner flow, and temperature field on solidification process. Experimental method for measuring the thermophysical properties of ultrasonically levitated alloy is established. The specific heat and surface tension of highly undercooled Ti-based alloy melts are systematically measured. Meanwhile, the related thermophysical properties are computed by molecular dynamic method. These thermophysical properties provide the essential and basic data for theoretical analysis of rapid solidification. The dynamic mechanism of rapid dendritic and eutectic growth in highly undercooled alloy melt is revealed by observing the surface nucleation and solid-liquid interface migration. The surface morphology, solidification microstructure, crystal orientation, and solute distribution of the alloy are deeply analyzed to explore the effect of ultrasonic cavitation on the nucleation and solidification microstructure formation. The rapid solidification mechanism of Ti-based alloys under ultrasonic levitation condition is revealed.

超声悬浮条件下，合金熔体呈现出特殊的传热传质特性，为研究深过冷液态合金的快速凝固过程提供了理想条件。本项目选取二元Ti-Si和三元Ti-Fe-Si合金为研究对象，采用超声悬浮无容器处理方法实现合金熔体的深过冷与快速凝固。重点研究超声悬浮合金熔体的运动特性和传热规律，探索合金熔体形态振荡、内部流动和温度场对凝固过程的作用机制。建立超声悬浮条件下亚稳合金熔体热物理性质的测定方法，揭示液体Ti合金的比热和表面张力随过冷度的变化关系，并通过分子动力学方法计算相关热物理性质，为快速凝固理论分析提供必不可少的基础数据。实时检测深过冷合金熔体的表面形核及固液界面迁移，揭示快速枝晶和共晶生长的动力学机制。深入研究合金表面形态、凝固组织、晶体取向和溶质分布特征，探索超声空化效应对晶体形核和组织形成过程的作用，揭示超声悬浮状态下Ti基合金熔体的快速凝固机理。

超声悬浮条件下，合金熔体呈现出特殊的传热传质特性，为研究深过冷液态合金的快速凝固过程提供了理想条件。本项目以超声悬浮无容器处理实验为主，辅以数值计算和理论分析，进行深过冷合金熔体的传热传质与快速凝固研究，同时拓展研究范围，主要开展了以下六方面的研究工作：一是超声悬浮条件下合金熔体的传热规律研究，求解了合金液滴外的边界层方程，揭示了超声悬浮液滴的传热特点。二是超声悬浮圆柱体的旋转运动规律和大体积金属材料悬浮动力学研究，阐明了超声悬浮样品旋转的动力学机制，提出了抑制该运动的方法。通过同时施加反向超声波，实现了直径5~8mm钢球的悬浮。三是超声场中液滴动力学规律研究，提出了通过超疏水反射端上液滴起跳方式加载水滴的新方法，通过高速摄影技术和数值计算，深刻揭示了声场在该动力学过程中的作用机制。研究了超声悬浮液滴的扇谐振荡规律，发现了滞后效应。四是超声悬浮条件下共晶型合金的无容器凝固规律研究，实现了超声悬浮条件下Ni-Si共晶合金的快速凝固，揭示了声场对凝固过程的作用机制。开展了透明合金在超声悬浮条件下的凝固过程研究。五是激光辐照条件下Ti基合金的快速凝固规律研究，Ti-Si亚共晶合金原有粗大枝晶显著细化，Ti-Si共晶合金显示出辐射生长特点。六是金属结晶动力学和不混溶合金的凝固规律研究，采用DSC方法研究了过冷金属材料的凝固动力学，并通过控制温度程序，研究了相分离时间对不混溶合金凝固组织形成过程的影响。相关成果将为扩展超声悬浮的应用范围提供基础，并加深研究者对合金凝固规律的认识。