稳恒磁场下过共晶铝合金定向凝固组织调控机理及功能梯度材料制备的研究

发布时间：2020-03-21 20:17

【摘要】：材料的凝固组织对其性能有决定性的影响。在凝固过程中施加稳恒磁场能够有效的控制合金的凝固组织,从而制备出高性能的材料。过共晶铝合金是工业上应用最广泛的一类有色金属结构材料,具有耐磨、耐热、耐腐蚀和热膨胀系数小等优点,备受研究者们的关注。本文采用稳恒磁场下的定向凝固技术,并利用数值模拟,系统地研究了在稳恒磁场作用下过共晶铝合金Al-Cu、Al-Ni、Al-Si和Al-Zn凝固过程中糊状区内熔体流动、固相受力、溶质迁移、固相迁移及凝固组织演变。主要研究结果如下:本文利用有限元软件COMSOL对不同磁场强度下Al-Cu合金定向凝固过程中糊状区附近液相中热电磁流动的大小和分布进行模拟。结果显示,横向磁场的施加,导致在垂直于磁场方向的试样纵截面内形成单向热电磁环流,流动强度随着磁场强度增加先增加后减小。在纵向磁场的作用下,热电磁流动在垂直于磁场方向的试样横截面内形成环流,流动强度同样随着磁场强度的增加先增加后减小。另外,模拟了模型尺度对磁场下热电效应的影响,可以发现,枝晶长度和试样直径的增加强化了界面附近液相所受的热电磁力,促进热电磁流动。在Al合金定向凝固过程中横向磁场的施加会导致固/液界面形态发生改变。对于Al-40 wt.%Cu和Al-12 wt.%Ni合金,磁场的施加使试样一侧的初生相的面积百分数减少,而共晶组织的含量增加,形成沿定向凝固试样轴向的“通道状”偏析;在试样另一侧的初生相的面积百分数增加,从而引起初生相的径向梯度分布。另外,随着磁场强度的增加,初生相的径向梯度分布程度增加。上述结果归因于横向磁场下单向热电磁流动引起的径向溶质迁移。对于Al-21 wt.%Si合金,磁场的施加使初生Si相的分布发生改变,由在试样纵截面内均匀分布转变成倾斜条带状分布,形成了初生Si相的径向梯度分布。以上结果归因于横向磁场下热电磁力对初生Si相径向迁移和单向热电磁流动对溶质径向迁移的影响。纵向磁场对Al-40 wt.%Cu、Al-12 wt.%Ni、Al-21 wt.%Si和Al-96 wt.%Zn合金定向凝固组织的影响被考察。通过对整个试样凝固组织的研究发现,纵向磁场的施加引起定向凝固组织中初生相的分布发生改变。初生相的体积分数随着定向凝固生长距离的增加而减少,形成初生相的轴向宏观偏析,而且磁场强度的增加强化了初生相的轴向宏观偏析。磁场的施加还能导致糊状区长度缩短和糊状区内初生相含量减少,而且随着磁场强度的增加,糊状区长度逐渐缩短,初生相含量逐渐减少,这与纵向磁场下初生相的轴向宏观偏析的变化一致。另外,温度梯度的增加和生长速度的降低会强化磁场对初生相轴向宏观偏析的作用效果。以上结果归因于热电磁流动、重力和定向凝固过程中糊状区温度分布对溶质轴向迁移和初生相生长的影响。对于初生相为颗粒状的Al-21 wt.%Si合金,磁场的施加会导致糊状区初生相界面发生改变,准平界面→U型界面→平界面。随着准平界面转变成U型界面,初生Si相径向宏观偏析的形成。以上结果归因于定向凝固过程中糊状区温度分布和纵向磁场下热电磁流动对溶质迁移和初生相生长的影响。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.21;TB34

【参考文献】