【摘要】：材料的凝固組織對其性能有決定性的影響。在凝固過程中施加穩(wěn)恒磁場能夠有效的控制合金的凝固組織,從而制備出高性能的材料。過共晶鋁合金是工業(yè)上應用最廣泛的一類有色金屬結構材料,具有耐磨、耐熱、耐腐蝕和熱膨脹系數小等優(yōu)點,備受研究者們的關注。本文采用穩(wěn)恒磁場下的定向凝固技術,并利用數值模擬,系統(tǒng)地研究了在穩(wěn)恒磁場作用下過共晶鋁合金Al-Cu、Al-Ni、Al-Si和Al-Zn凝固過程中糊狀區(qū)內熔體流動、固相受力、溶質遷移、固相遷移及凝固組織演變。主要研究結果如下:本文利用有限元軟件COMSOL對不同磁場強度下Al-Cu合金定向凝固過程中糊狀區(qū)附近液相中熱電磁流動的大小和分布進行模擬。結果顯示,橫向磁場的施加,導致在垂直于磁場方向的試樣縱截面內形成單向熱電磁環(huán)流,流動強度隨著磁場強度增加先增加后減小。在縱向磁場的作用下,熱電磁流動在垂直于磁場方向的試樣橫截面內形成環(huán)流,流動強度同樣隨著磁場強度的增加先增加后減小。另外,模擬了模型尺度對磁場下熱電效應的影響,可以發(fā)現,枝晶長度和試樣直徑的增加強化了界面附近液相所受的熱電磁力,促進熱電磁流動。在Al合金定向凝固過程中橫向磁場的施加會導致固/液界面形態(tài)發(fā)生改變。對于Al-40 wt.%Cu和Al-12 wt.%Ni合金,磁場的施加使試樣一側的初生相的面積百分數減少,而共晶組織的含量增加,形成沿定向凝固試樣軸向的“通道狀”偏析;在試樣另一側的初生相的面積百分數增加,從而引起初生相的徑向梯度分布。另外,隨著磁場強度的增加,初生相的徑向梯度分布程度增加。上述結果歸因于橫向磁場下單向熱電磁流動引起的徑向溶質遷移。對于Al-21 wt.%Si合金,磁場的施加使初生Si相的分布發(fā)生改變,由在試樣縱截面內均勻分布轉變成傾斜條帶狀分布,形成了初生Si相的徑向梯度分布。以上結果歸因于橫向磁場下熱電磁力對初生Si相徑向遷移和單向熱電磁流動對溶質徑向遷移的影響。縱向磁場對Al-40 wt.%Cu、Al-12 wt.%Ni、Al-21 wt.%Si和Al-96 wt.%Zn合金定向凝固組織的影響被考察。通過對整個試樣凝固組織的研究發(fā)現,縱向磁場的施加引起定向凝固組織中初生相的分布發(fā)生改變。初生相的體積分數隨著定向凝固生長距離的增加而減少,形成初生相的軸向宏觀偏析,而且磁場強度的增加強化了初生相的軸向宏觀偏析。磁場的施加還能導致糊狀區(qū)長度縮短和糊狀區(qū)內初生相含量減少,而且隨著磁場強度的增加,糊狀區(qū)長度逐漸縮短,初生相含量逐漸減少,這與縱向磁場下初生相的軸向宏觀偏析的變化一致。另外,溫度梯度的增加和生長速度的降低會強化磁場對初生相軸向宏觀偏析的作用效果。以上結果歸因于熱電磁流動、重力和定向凝固過程中糊狀區(qū)溫度分布對溶質軸向遷移和初生相生長的影響。對于初生相為顆粒狀的Al-21 wt.%Si合金,磁場的施加會導致糊狀區(qū)初生相界面發(fā)生改變,準平界面→U型界面→平界面。隨著準平界面轉變成U型界面,初生Si相徑向宏觀偏析的形成。以上結果歸因于定向凝固過程中糊狀區(qū)溫度分布和縱向磁場下熱電磁流動對溶質遷移和初生相生長的影響。
【學位授予單位】：上海大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG146.21;TB34

【參考文獻】

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本文編號：2593881