電場(chǎng)調(diào)控下合金凝固微觀行為同步輻射研究.pdf

1、合金的宏觀力學(xué)性能與其微觀組織緊密相關(guān)，而微觀組織演變主要受控于凝固過(guò)程。電場(chǎng)通過(guò)作用于合金熔體的力與熱來(lái)改變合金凝固過(guò)程的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)，是一種先進(jìn)而有效的凝固過(guò)程調(diào)控手段。探究電場(chǎng)調(diào)控下合金凝固微觀行為，深入系統(tǒng)地研究凝固過(guò)程的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，從而為科學(xué)合理地制定凝固參數(shù)提供理論依據(jù)。
　　傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究方法是借助金相顯微鏡、掃描電鏡等對(duì)淬火后的凝固組織進(jìn)行觀察和分析，但僅可以得到某一特定時(shí)刻某一截面的微觀組織特征，這樣勢(shì)必會(huì)錯(cuò)失

2、一些重要的凝固過(guò)程動(dòng)態(tài)信息。高能同步輻射硬X射線原位成像技術(shù)的出現(xiàn)為研究合金凝固過(guò)程動(dòng)態(tài)行為提出了新的思路和技術(shù)途徑。利用具有高亮度、高能量、高分辨率的同步輻射X射線光源以及具有高速讀寫(xiě)的CCD成像系統(tǒng)，能夠?qū)辖鹉踢^(guò)程中微觀組織演變的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)成像。其成像結(jié)果可為合金凝固過(guò)程微觀行為及內(nèi)在機(jī)制的研究提供直觀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文應(yīng)用同步輻射實(shí)時(shí)成像技術(shù)，原位研究了電場(chǎng)調(diào)控下Sn-Pb、Sn-Bi合金的枝晶生長(zhǎng)行為以及Al-Bi難混溶

3、合金的液液相變/分離過(guò)程，深入理解了電場(chǎng)調(diào)控下枝晶生長(zhǎng)與兩相分離的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。
　　研究了直流電場(chǎng)對(duì)Sn-Pb合金的枝晶生長(zhǎng)形貌和生長(zhǎng)速率的影響。實(shí)時(shí)成像結(jié)果表明，由電場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力驅(qū)動(dòng)的熔體流動(dòng)能夠沖刷枝晶的底部和側(cè)枝，減少其周圍的溶質(zhì)富集，使得枝晶臂在各個(gè)方向均衡發(fā)展，大大減弱了枝晶的“自我中毒”現(xiàn)象(即枝晶臂生長(zhǎng)不均衡），最終呈現(xiàn)出近似于規(guī)則的等軸晶形貌。同時(shí)發(fā)現(xiàn)電流的作用會(huì)改變枝晶生長(zhǎng)前沿的溶質(zhì)分布，使得鄰近的枝晶彼此之

4、間通過(guò)溶質(zhì)擴(kuò)散層相互干擾，從而降低了生長(zhǎng)速率，并提前終止了枝晶的自由生長(zhǎng)。
　　研究了直流電場(chǎng)對(duì)Sn-Bi合金凝固過(guò)程的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于固液相之間電導(dǎo)率的差異，電流聚集于枝晶尖端，枝晶尖端以分散聚集電流（降低焦耳熱）的自我調(diào)節(jié)方式來(lái)維持繼續(xù)生長(zhǎng)，尖端形狀呈圓潤(rùn)或平直形貌。在施加直流電場(chǎng)的熔體中并且存在溫度梯度情況下，熔體中會(huì)產(chǎn)生具有一定擾動(dòng)性的電磁體積力，加之自然對(duì)流和溶質(zhì)偏析導(dǎo)致的密度差，驅(qū)使上浮枝晶發(fā)生明顯的大角度旋轉(zhuǎn)

5、。
　　在凝固過(guò)程中的不同階段施加脈沖電流對(duì)Sn-Bi合金的凝固組織有很大的影響。成像結(jié)果表明，在Sn-Bi合金的整個(gè)凝固過(guò)程持續(xù)施加脈沖電流時(shí)，經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的孕育形核期后，枝晶在很短的時(shí)間內(nèi)迅速形核與生長(zhǎng)，一次枝晶細(xì)化現(xiàn)象非常明顯。僅在形核過(guò)后的枝晶生長(zhǎng)階段施加脈沖電流時(shí)，已經(jīng)長(zhǎng)大的枝晶先被脈沖電流加熱重熔，而后重新凝固生長(zhǎng)的枝晶仍然在原來(lái)的枝晶臂位置處生長(zhǎng)，呈現(xiàn)一定的金屬遺傳性特征，并且未觀察到一次枝晶細(xì)化現(xiàn)象，實(shí)時(shí)成像印證了

6、脈沖電流施加時(shí)機(jī)的重要性。
　　對(duì)Al-Bi難混溶合金凝固過(guò)程中第二相液滴的微觀行為進(jìn)行了原位觀察。證實(shí)了兩個(gè)半徑尺寸相近的液滴之間是以碰撞的形式發(fā)生聚合進(jìn)而粗化成一個(gè)接近于橢圓形的液滴;半徑尺寸相差懸殊的液滴之間是通過(guò)尺寸較大的液滴慢慢吞并周圍無(wú)數(shù)的小液滴而發(fā)生Oswald熟化，形成一個(gè)近似于圓形的液滴。
　　原位觀察了脈沖電流對(duì)Al-Bi難混溶合金第二相液滴微觀行為的影響。結(jié)果表明，施加脈沖電流后，在液液相難混溶區(qū)中分離

7、出的富Bi液滴不再是圓球形貌，而是凝聚成許多云狀的大團(tuán)簇。第二相液滴因?yàn)槭艿組arangoni力和電磁擠壓力的共同影響而沿著兩力的合力方向運(yùn)動(dòng)，最終在基體中形成了一個(gè)明顯的倒三角形狀。
　　基于同步輻射X射線三維CT成像技術(shù)研究了Al-Bi難混溶合金第二相顆粒的三維形貌及分布特征，同時(shí)考察了三種不同晶粒細(xì)化劑Al-3B、Al-5Ti-B和Al-3Ti對(duì)第二相顆粒的影響。三維重構(gòu)結(jié)果可清晰地顯示Al-Bi難混溶合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，結(jié)