复杂偏晶合金电磁悬浮凝固过程中的强制对流和组织演变研究

Electromagnetic levitation technology is an important approach of the space materials science. The rapid solidification of highly undercooled alloys with the forced convection caused by electromagnetic stirring effect may show new phenomena. Based on the separation of liquid phases, a systematic study is accomplished on the fluid convection and rapid solidification mechanisms within ternary Ti-Nd-Al and Fe-Cu-Sn monotectic alloys. The levitation techniques combined with non-contact measure methods are applied to determine the surface tension, viscosity, density and specific heat of liquid alloys. By axisymmetric electromagnetic levitation model, the distribution patterns of electromagnetic field, temperature field and flow field are analyzed to achieve the active control of melt convection. Experimental explorations are performed to reveal the common rules in the liquid phase separation and dendritic growth processes with the forced convection condition, with special attention to the microstructure evolution, solute trapping effect and crystal orientation. On the basis of fundamental research, the final attempt is directed toward to the effect of solidification conditions, such as electromagnetic levitation, high undercooling and forced convection, on the application performance of monotectic alloys.

电磁悬浮凝固技术是空间材料科学研究的重要途径之一。在无容器状态下，电磁搅拌作用引起的强制对流使偏晶合金的液相分离与组织演变呈现出一系列新规律。本项目选取三元Ti-Nd-Al和Fe-Cu-Sn复杂偏晶合金作为研究对象，从研究深过冷液态合金热物理性质出发，着重研究电磁悬浮过程中合金熔体的强制对流与快速凝固机理。通过电磁悬浮实验测定和分子动力学计算方法，研究亚稳态合金熔体的表面张力、粘度、密度和比热等热物性参数的变化规律。建立液态合金电磁悬浮动态过程的物理模型，分析电磁场、温度场和浓度场对液相流动的耦合作用规律，探索电磁悬浮过程中对流效应的主动调控方法。分析强制对流条件下偏晶合金的亚稳相分离规律以及后续快速枝晶生长机制，揭示电磁悬浮条件下合金快速凝固组织微观形态、晶体取向和溶质分布的演变特征，阐明电磁悬浮、深过冷和强制对流等超常凝固条件与合金应用性能的相关规律。

电磁悬浮是金属材料无容器制备技术的重要方法之一。在合金熔体电磁悬浮过程中，高频电磁场引起的强制对流对凝固过程具有重要影响。本项目采用电磁悬浮、自由落体和静电悬浮等多种无容器技术综合研究了电磁搅拌效应引起的强制对流在深过冷合金熔体快速凝固过程中的作用机制，以及合金凝固组织演变和力学性能相关规律。. 通过建立液态合金电磁悬浮动态过程的物理模型，获得悬浮条件下合金熔体内部的磁感应强度和温度分布。分析了电磁场引起的液态合金内部洛伦兹力分布规律，揭示了电磁搅拌作用下液态合金的强制对流分布，阐明了电磁悬浮过程中电磁场和温度场对液相流动的作用规律。通过电磁悬浮和自由落体对比研究，探索了高频电磁场引起的强制对流作用下深过冷Fe-Sn/Cu合金熔体中的亚稳相分离规律，分析了表面偏析和Stokes运动以及强制对流共同作用下的液相分离连续演变过程，揭示了电磁搅拌引起的强制对流是偏晶合金快速凝固组织中涡旋形貌的关键因素。通过电磁悬浮和静电悬浮耦合高速原位观察方法，研究了电磁搅拌条件下包晶型合金熔体中快速包晶凝固动力学机制。在小过冷度范围内，强烈的电磁搅拌效应促进了Fe-Ti合金中初生相生长和随后包晶反应过程，并且由于高频电磁场的电磁搅拌引起液固相的机械碰撞和流体浸蚀作用，抑制了合金凝固组织小面相生长特征的出现。研究了深过冷二元、三元Fe基合金熔体快速凝固的相选择、微观组织形貌、晶体取向、溶质分布、晶体生长动力学，分析了超常凝固条件与合金硬度、弹性模量等力学性能的相关规律。此外，探索了Ni/Zr非晶合金熔体在电磁悬浮条件下的过冷能力和快速凝固动力学，分析了熔体芯部玻璃化而外侧区域正常结晶的双重凝固机制和凝固组织演变规律。通过分子动力学计算，分析了深过冷液态合金的密度、比热、粘度和表面张力等热物理性质及其微观结构特征随过冷度的变化规律。