《溫度梯度區域熔化作用下的包晶合金凝固組織演化》是依託南京理工大學，由潘詩琰擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：溫度梯度區域熔化作用下的包晶合金凝固組織演化
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：潘詩琰
- 依託單位：南京理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
在申請人已有的工作基礎上，本項目針對二元包晶的凝固過程，建立包含溶質非對稱雙邊擴散反截留項的定量多相場模型。所建立的多相場模型能對包晶合金定向凝固時在溫度梯度區域熔化(Temperature gradient zone melting，TGZM)作用下的顯微組織演化進行定量模擬。此外，建立二元包晶合金的TGZM動力學解析模型，定量描述在TGZM效應作用下液滴在包晶凝固多個糊狀區中的遷移行為，提出臨界抽拉速度準則和臨界液滴位置準則。通過模擬研究和理論分析相結合，深入理解由於TGZM效應而引起的液滴和枝晶臂在包晶凝固不同糊狀區中的遷移現象。探討包晶反應、溫度梯度和抽拉速度等因素對靜態和動態糊狀區內重熔與再凝的影響規律，從而揭示TGZM效應對包晶合金凝固顯微組織和微觀偏析的作用機制。為認知在溫度梯度作用下包晶合金的複雜凝固現象與機制、以及對包晶凝固組織的預測和控制提供科學依據。
結題摘要
在鐵、銅、鋁、鈦合金和鎳基高溫合金等多種合金體系中，觀察到了包晶相變。包晶相變包含了包晶反應和後繼包晶轉變的過程，在鋼的連鑄質量控制和磁性材料及電子材料的生產中起著至關重要的作用。本項目建立了具有溶質反截留項並考慮固相擴散的定量多相場模型，用於模擬低過冷度時Fe-C合金中的包晶相。採用新定義的階躍函式的界面場方法，建立了多相場變數的控制方程。套用該模型模擬了實驗空間尺度下大計算區域內，包晶反應過程中包晶片層尖端的生長和後繼包晶轉變。結果表明：液相/初生相/包晶相三聯點處的局部液相濃度略高於與初生相平衡的液相濃度，但低於與包晶相平衡的液相濃度。這導致在三聯點附近的初生相少量熔化，而包晶相片層繼續生長。在較高的過冷度下，較高的尖端速度導致沿包晶相片層厚度方向上產生更陡峭的碳濃度梯度，從而帶來較高的厚度方向生長速度。包晶相片層的尖端速度與厚度方向生長速度的比值隨過冷度增大而增大，但尖端半徑和片層尖端厚度同時減小。模擬結果與文獻報導的實驗數據具有很好的一致性，證明了該多相場模型的定量預測能力，證實了包晶相變是在接近平衡條件下擴散控制的。本項目同時推導了一個預測包晶轉變動力學的解析模型。該解析模型能夠預測液相、初生相和包晶相在任意擴散係數下的溶質擴散。解析模型套用於預測零和非零過飽度下（包括初生相和液相）的Fe-C合金等溫包晶轉變動力學。解析模型預測結果與相場模擬吻合較好。在零過飽和度的情況下，包晶相片層厚度和包晶相中非線性濃度分布隨時間演化規律與實驗數據吻合較好。隨著保溫溫度降低，包晶相/初生相界面的拋物速率常數非線性增加，但包晶相/液相界面的拋物速率常數幾乎保持不變。母相中非零過飽和度顯著地提高了包晶相/液相界面的擴散通量躍變，但包晶相/初生相界面的擴散通量躍變僅略有增加。因此，包晶相/液相界面生長速度顯著增加，但包晶相/初生相界面生長速度幾乎不變。
