强静磁场对α-Al枝晶生长过程调控机理的研究

发布时间：2018-04-19 03:22

本文选题：强静磁场 + 铝合金　；参考：《上海大学》2017年博士论文

【摘要】：工业合金在凝固过程中先析的固溶体初生相常以枝晶形貌结晶。枝晶组织决定了铸锭中晶粒和第二相的特征。掌控凝固过程中枝晶形貌的演化对调控铸锭组织,提高铸件性能至关重要。在材料制备过程中施加强静磁场,可改变体系内物质的传输行为,从而改变材料的微观组织。枝晶生长受凝固过程中传热和传质的影响,施加强静磁场可起到影响枝晶凝固过程的效果。本文以Al-4.5wt.%Cu合金和2024铝合金为实验对象,使用定向凝固方法及Al-5Ti-1B晶粒细化工艺,研究了强静磁场对α-Al固溶体初生相柱状枝晶和等轴枝晶形貌的影响。有以下主要结果:磁场改变了Al-4.5wt.%Cu合金定向凝固过程中α-Al初生相柱状枝晶的形貌。使用001籽晶后,随着磁感强度的提高,Al-4.5wt.%Cu合金的一次枝晶间距逐渐增大;三次枝晶在二次枝晶臂两侧非对称生长,在垂直于枝晶主干的平面内得到了“SM”字形形貌;柱状枝晶间原本连续粗大的第二相变得分散,第二相的面积分数减小;凝固过程中生成的杂晶数量增多;磁场改变了Al-4.5wt.%Cu合金柱状枝晶间的竞争生长过程:高磁场下,非择优枝晶可取代择优枝晶,枝晶阵列表现为在磁场下偏转。为分析上述实验现象,使用有限元软件COMSOL~TM模拟了Al-4.5wt.%Cu合金定向凝固过程中由磁场引发的热电磁对流。结果表明:热电磁对流在垂直于磁场方向和温度梯度方向的平面内环绕枝晶主干流动,在本实验范围内其强度随磁感强度的提高而增大。另一方面,熔体内的自然对流由于磁制动效应随磁感强度的提高而减弱。Al-4.5wt.%Cu合金三次枝晶的演化与柱状枝晶周围的热电磁对流相对应,而自然对流与热电磁对流随磁感强度的同时变化影响了枝晶尖端和枝晶间溶质原子的传输,决定了Al-4.5wt.%Cu合金的一次枝晶间距的增大和凝固组织中的微观偏析的减轻。此外,热电磁对流对二次枝晶臂的冲刷导致了枝晶臂的溶断,断裂的二次枝晶碎片成为杂晶的来源。磁场下非择优枝晶在竞争中获得优势主要由于热电磁对流改变了不同位向两枝晶间高次分枝的生长行为。向Al-4.5wt.%Cu合金中添加Al-5Ti-1B细化剂后,在凝固过程中可获得α-Al等轴晶组织。随着磁感强度的提高,凝固时糊状区/液相边界逐渐变得平直,晶粒尺寸先减小后增大,而第二相的面积分数先增大后减小。COMSOL~TM的模拟结果表明:在等轴晶周围同样存在围绕晶粒的热电磁对流。等轴晶的大小和凝固组织中的微观偏析仍受热电磁对流与自然对流相互作用的影响。磁场可引发α-Al等轴晶晶粒取向。α-Al晶粒的310晶向为其易磁化轴。在磁场下α-Al晶粒有将310方向转到与磁场方向平行的趋势。通过对α-Al各晶向磁化率的测量,发现Cu元素的添加使等效晶面族内各晶面的磁化率不再相等,改变了立方晶系磁化率在空间上的对称性,使α-Al等轴晶晶粒可在磁转矩作用下发生转动。磁场使2024铝合金柱状枝晶的一次枝晶间距先减小后增大。无磁场时,添加Al-5Ti-1B细化剂得到的2024铝合金等轴晶晶粒为球形,施加磁场后晶粒尺寸增大,形貌变得不规则。经磁场下凝固和T6热处理后,合金的抗拉强度得到提高。在T6热处理过程中,磁场下凝固的试样有更多的第二相溶入到α-Al基体中。这是由于热电磁效应使α-Al基体内位错等缺陷密度提高,有利于固溶过程中溶质原子的溶入。枝晶形貌的改变,晶粒内溶质强化效果的加强,以及晶界上有害第二相数量的减小,使合金的力学性能得到改善。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG292

【参考文献】