《小平麵包晶合金凝固過程的電場調控及同步輻射成像》是依託大連理工大學,由曹志強擔任醒目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：小平麵包晶合金凝固過程的電場調控及同步輻射成像
- 依託單位：大連理工大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：曹志強
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
包晶反應廣泛存在於許多結構和功能材料中。不同生長條件下的包晶反應過程將直接影響兩相的形態及體積分數，進而影響材料的力學及物理性能。目前對包晶合金凝固的研究主要集中在初生相為固溶體的包晶合金體系，而對領先相或者兩相屬於金屬間化合物的包晶合金系統研究少有涉及。金屬間化合物通常呈現具有強各向異性小平面生長方式，易形成組織粗大、形態各異的形貌。為了有效控制金屬間化合物組織的生長形貌，本項目擬以小平麵包晶合金體系為研究對象，基於同步輻射硬X射線原位監測、三維立體成像與衍射技術，對電場（直流、交流、脈衝電流）作用下包晶合金凝固過程中的相選擇與凝固行為進行實時檢測、三維立體重構和原位衍射表征，並探索凝固速度、溫度梯度、加熱溫度和第三元素對凝固過程的影響機制，研究結果不僅可以豐富和發展現有基於非小平面生長基礎上的現代凝固理論，也為通過包晶反應製備具有金屬間化合物包晶相的新材料提供技術支持。
結題摘要
在國家自然科學基金面上基金(51574058)的資助下，針對包晶合金中初生相為小平面相研究中存在的不足與困難，以Sn-10Cu包晶合金為研究對象，基於同步輻射硬X射線原位監測、三維立體成像技術，通過施加直流及脈衝電場的方法研究包晶合金凝固過程糊狀區內的相選擇與凝固行為、界面穩定性、界面形態演變、成分過冷及固/液界面前沿的溶質再分配等，實現對包晶合金凝固過程中相選擇與凝固行為的實時檢測、三維立體重構，揭示不同凝固條件和電場加入對複雜金屬間化合物生長行為的影響規律。另外，通過將第三組元變質劑Ni加入到包晶合金系，研究少量第三組元的加入對其凝固特性形成的影響，探討了第三組元加入後金屬間化合物的三維形貌特徵與生長機制。同步輻射斷層掃描三維分析顯示包晶相Cu6Sn5為六角雪片狀三維形態。本項目以二維原位觀測手段研究了直流、脈衝電流以及垂直互動電流三種外場中Sn-10Cu包晶合金動態凝固生長行為。（1）發現電流對初生相Cu3Sn的抑制行為，以及對包晶相Cu6Sn5晶粒尺寸的調控作用。（2）脈衝電場對包晶相的細化效果較直流電場更加明顯（3）垂直互動電場作用中，出現枝晶臂出現分叉現象，X-型包晶相通過分叉有向花瓣型包晶相轉變的趨勢。Sn-10Cu中微量Ni的添加對初生相Cu6Sn5有明顯抑制效果。通過冷卻曲線分析、凝固過程原位觀測、鑄態合金顯微結構SEM觀察。發現0.05-1wt%Ni能夠完全抑制初生相Cu3Sn，使Cu6Sn5直接從熔體中形核。通過EPMA面分析，發現Ni元素主要富集於Cu6Sn5晶粒中心，促進Cu6Sn5從熔體中直接析出。對Sn-10Cu-1Ni合金施加脈衝電場，發現隨著脈衝電流密度從0增加到200A/cm2，(Cu, Ni)6Sn5逐漸呈現出與方向相關的形態，重力偏析引起的“自我中毒”現象減弱，且相鄰晶粒之間的競爭生長明顯減弱。此外，以玻爾茲曼函式作為模型，對四種不同電流密度下的晶粒密度與溫度的關係進行了擬合，擬合方程與數據相關性良好R2>0.995，本研究提供了一種以施加電場的方式調控(Cu, Ni)6Sn5形貌的技術手段。
