《難混溶合金核殼組織形成動力學的同步輻射原位研究》是依託上海交通大學，由張曙光擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：難混溶合金核殼組織形成動力學的同步輻射原位研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張曙光
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
難混溶合金在自潤滑、電接觸材料等方面具有廣泛套用前景。該類合金經由液相分離在一定條件下凝固會形成核殼組織，藉此可能發展成為一種核殼功能材料的製備方法。然而，這種核殼組織的製備強烈依賴於成分和工藝條件，其形態多樣性的生成動力學和形成條件還不明晰，尚缺少直接的實驗證據。本項目在前期研究和猜想的基礎上，採用同步輻射成像和小角散射等技術，原位觀測Fe-Sn難混溶合金的懸浮無容器凝固過程，捕捉其液相分離與組織演化的時空圖樣，探明第二相小液滴形核、運動、凝並的動力學行為，進而揭示（多層）核殼組織形成機制，並建立核殼組織形成的動力學判據，從而豐富和發展難混溶合金凝固理論，並為核殼型微球（粉末）製備技術提供理論指導，具有重要的研究意義。
結題摘要
難混溶合金是工業中重要的結構功能材料。該類合金凝固時經由液相分離極易形成嚴重偏析甚至分層的組織，對此目前尚缺乏清晰的認識和有效的控制手段。針對難混溶合金偏析結構形成的問題，本項目選用Al-Bi難混溶合金，研究了氣動懸浮條件下該合金的液相分離機制及偏析演變過程；並藉助同步輻射成像技術獲得了Al-10 wt.% Bi難混溶合金凝固過程中的偏析演變全景圖，分析了第二相液滴的動態行為及氣泡誘導偏析行為，並探討了它們的動態行為機制；在以上研究的基礎上，探討了Al-Bi-Sn核殼型及月食型巨觀偏析結構形成機制。得到了以下主要結果： 1. 在氣動懸浮條件下，合金熔體發生旋轉會使得第二相液滴做離心運動。Marangoni運動、Stokes運動以及離心運動隨液滴尺寸變化分階段控制難混溶合金的液相分離過程，在凝固時間允許的情況下，不同成分的Al-Bi難混溶合金都可以形成Al/Bi 核殼結構。 2. 藉助同步輻射成像技術直接觀察到了表面偏析發生在液相分離之前。Soret效應使Bi原子大規模下沉。在高冷速條件下，Bi液滴的尺寸分布可以用Gaussian方程來描述。而在低冷速條件下的液相分離初期，Bi液滴以Ostwald熟化方式進行粗化，其尺寸分布符合LSW擴散控制的分布；並且，Bi液滴數量隨時間的變化符合logistic種群生長模型。 3. 同步輻射小角散射實驗結果表明，Al-10 wt.% Bi難混溶合金的液相分離過程是以富Bi液滴的形核長大方式開始而不是以調幅分解機制開始的。 4. 在Al-10 wt.% Bi合金熔體冷卻過程中，採用同步輻射成像技術捕捉到了氣泡及其誘導偏析動態行為。偏聚在氣泡表面的Bi原子並沒有改變單個氣泡隨機的生長模式，但會改變其尺寸分布行為，使其既不符合Gaussian分布，也不符合LSW擴散控制的分布。 5. 在本論文實驗條件下的同步輻射成像結果表明，在Al-10 wt.% Bi合金凝固後，樣品上部的Bi溶質來源於正偏析和第二相液滴的Marangoni運動。 6. 表面偏析、Soret效應、熱Marangoni運動、溶質Marangoni運動以及Stokes運動在Al/Bi-Sn核殼組織形成過程中起主要作用。如果合金在富Bi小液滴的尺寸小於臨界半徑(rg)時凝固，那么會形成Al/Bi-Sn同心型核殼組織；反之，則會形成月食結構。
