本文選題：強(qiáng)靜磁場(chǎng) + 鋁合金　； 參考：《上海大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：工業(yè)合金在凝固過(guò)程中先析的固溶體初生相常以枝晶形貌結(jié)晶。枝晶組織決定了鑄錠中晶粒和第二相的特征。掌控凝固過(guò)程中枝晶形貌的演化對(duì)調(diào)控鑄錠組織,提高鑄件性能至關(guān)重要。在材料制備過(guò)程中施加強(qiáng)靜磁場(chǎng),可改變體系內(nèi)物質(zhì)的傳輸行為,從而改變材料的微觀組織。枝晶生長(zhǎng)受凝固過(guò)程中傳熱和傳質(zhì)的影響,施加強(qiáng)靜磁場(chǎng)可起到影響枝晶凝固過(guò)程的效果。本文以Al-4.5wt.%Cu合金和2024鋁合金為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,使用定向凝固方法及Al-5Ti-1B晶粒細(xì)化工藝,研究了強(qiáng)靜磁場(chǎng)對(duì)α-Al固溶體初生相柱狀枝晶和等軸枝晶形貌的影響。有以下主要結(jié)果:磁場(chǎng)改變了Al-4.5wt.%Cu合金定向凝固過(guò)程中α-Al初生相柱狀枝晶的形貌。使用001籽晶后,隨著磁感強(qiáng)度的提高,Al-4.5wt.%Cu合金的一次枝晶間距逐漸增大;三次枝晶在二次枝晶臂兩側(cè)非對(duì)稱生長(zhǎng),在垂直于枝晶主干的平面內(nèi)得到了“SM”字形形貌;柱狀枝晶間原本連續(xù)粗大的第二相變得分散,第二相的面積分?jǐn)?shù)減小;凝固過(guò)程中生成的雜晶數(shù)量增多;磁場(chǎng)改變了Al-4.5wt.%Cu合金柱狀枝晶間的競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)過(guò)程:高磁場(chǎng)下,非擇優(yōu)枝晶可取代擇優(yōu)枝晶,枝晶陣列表現(xiàn)為在磁場(chǎng)下偏轉(zhuǎn)。為分析上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,使用有限元軟件COMSOL~TM模擬了Al-4.5wt.%Cu合金定向凝固過(guò)程中由磁場(chǎng)引發(fā)的熱電磁對(duì)流。結(jié)果表明:熱電磁對(duì)流在垂直于磁場(chǎng)方向和溫度梯度方向的平面內(nèi)環(huán)繞枝晶主干流動(dòng),在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)其強(qiáng)度隨磁感強(qiáng)度的提高而增大。另一方面,熔體內(nèi)的自然對(duì)流由于磁制動(dòng)效應(yīng)隨磁感強(qiáng)度的提高而減弱。Al-4.5wt.%Cu合金三次枝晶的演化與柱狀枝晶周圍的熱電磁對(duì)流相對(duì)應(yīng),而自然對(duì)流與熱電磁對(duì)流隨磁感強(qiáng)度的同時(shí)變化影響了枝晶尖端和枝晶間溶質(zhì)原子的傳輸,決定了Al-4.5wt.%Cu合金的一次枝晶間距的增大和凝固組織中的微觀偏析的減輕。此外,熱電磁對(duì)流對(duì)二次枝晶臂的沖刷導(dǎo)致了枝晶臂的溶斷,斷裂的二次枝晶碎片成為雜晶的來(lái)源。磁場(chǎng)下非擇優(yōu)枝晶在競(jìng)爭(zhēng)中獲得優(yōu)勢(shì)主要由于熱電磁對(duì)流改變了不同位向兩枝晶間高次分枝的生長(zhǎng)行為。向Al-4.5wt.%Cu合金中添加Al-5Ti-1B細(xì)化劑后,在凝固過(guò)程中可獲得α-Al等軸晶組織。隨著磁感強(qiáng)度的提高,凝固時(shí)糊狀區(qū)/液相邊界逐漸變得平直,晶粒尺寸先減小后增大,而第二相的面積分?jǐn)?shù)先增大后減小。COMSOL~TM的模擬結(jié)果表明:在等軸晶周圍同樣存在圍繞晶粒的熱電磁對(duì)流。等軸晶的大小和凝固組織中的微觀偏析仍受熱電磁對(duì)流與自然對(duì)流相互作用的影響。磁場(chǎng)可引發(fā)α-Al等軸晶晶粒取向。α-Al晶粒的310晶向?yàn)槠湟状呕S。在磁場(chǎng)下α-Al晶粒有將310方向轉(zhuǎn)到與磁場(chǎng)方向平行的趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)α-Al各晶向磁化率的測(cè)量,發(fā)現(xiàn)Cu元素的添加使等效晶面族內(nèi)各晶面的磁化率不再相等,改變了立方晶系磁化率在空間上的對(duì)稱性,使α-Al等軸晶晶粒可在磁轉(zhuǎn)矩作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。磁場(chǎng)使2024鋁合金柱狀枝晶的一次枝晶間距先減小后增大。無(wú)磁場(chǎng)時(shí),添加Al-5Ti-1B細(xì)化劑得到的2024鋁合金等軸晶晶粒為球形,施加磁場(chǎng)后晶粒尺寸增大,形貌變得不規(guī)則。經(jīng)磁場(chǎng)下凝固和T6熱處理后,合金的抗拉強(qiáng)度得到提高。在T6熱處理過(guò)程中,磁場(chǎng)下凝固的試樣有更多的第二相溶入到α-Al基體中。這是由于熱電磁效應(yīng)使α-Al基體內(nèi)位錯(cuò)等缺陷密度提高,有利于固溶過(guò)程中溶質(zhì)原子的溶入。枝晶形貌的改變,晶粒內(nèi)溶質(zhì)強(qiáng)化效果的加強(qiáng),以及晶界上有害第二相數(shù)量的減小,使合金的力學(xué)性能得到改善。
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【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TG292

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1771371