強(qiáng)磁場(chǎng)下合金熔體中顆粒運(yùn)動(dòng)行為控制及其對(duì)凝固組織演化的影響.pdf

1、強(qiáng)磁場(chǎng)因具有無(wú)接觸、能量高等優(yōu)勢(shì)，在有相變和無(wú)相變的材料制備過程中的作用明顯。而且，強(qiáng)磁場(chǎng)可以抑制一些因素，而突出一些效應(yīng)，從而使原來(lái)很復(fù)雜，甚至混亂的過程變得較為簡(jiǎn)單，易于直接了解其物理實(shí)質(zhì)。強(qiáng)磁場(chǎng)下的材料研究正日益成為科技工作者關(guān)注的熱點(diǎn)。尤其在合金的凝固過程中，可以利用其對(duì)相變過程的影響以及固/液兩相共存階段固相與熔體間的磁性等物性差異，極大地改變最終的凝固組織，獲得預(yù)想的組織和性能。
　　本課題立足于強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)物質(zhì)的磁力、磁

2、能的作用，固相物質(zhì)在熔體中的遷移和旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)行為將發(fā)生改變，進(jìn)而對(duì)凝固組織的演化過程造成影響，從而改變合金的物理、力學(xué)等性能。針對(duì)合金熔體中的外生/內(nèi)生顆粒的上述過程進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，研究的內(nèi)容及主要結(jié)果如下:
　　(1)在強(qiáng)磁場(chǎng)下熔體中單個(gè)固相顆粒的遷移、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)行為理論研究的基礎(chǔ)上，對(duì)多個(gè)顆粒的相互作用進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析。多顆粒間的相互作用包含有吸引、排斥，它們對(duì)顆粒的分布和排列有著最重要的影響。相互吸引有助于形成類棒

3、狀的聚集態(tài)組織;而相互間的排斥則有利于形成均勻分布的組織。在固相顆粒高體積分?jǐn)?shù)時(shí)，單個(gè)顆粒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)行為將會(huì)因相互作用而受到阻礙，此時(shí)凝固組織的形成更多地依賴于顆粒的繼續(xù)生長(zhǎng)。
　　(2)實(shí)驗(yàn)研究了強(qiáng)磁場(chǎng)下外生顆粒在熔體中的運(yùn)動(dòng)行為及對(duì)凝固組織的影響。對(duì)有無(wú)強(qiáng)磁場(chǎng)下添加過量Al-Ti-B中間合金的Al-Si合金中的未熔化固相TiAl3顆粒的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:強(qiáng)磁場(chǎng)可有效地改變TiAl3顆粒在凝固組織中的分布和排列情

4、況。隨著均恒磁場(chǎng)的強(qiáng)度增加，TiAl3顆粒在熔體中的沉降行為得到抑制;而在改變磁場(chǎng)梯度條件時(shí)，可強(qiáng)化顆粒的沉降行為或更有效地抑制其運(yùn)動(dòng)，從而獲得梯度分布或均勻分布的凝固組織。同時(shí)，未熔化的TiAl3顆粒規(guī)則地呈長(zhǎng)軸平行于磁場(chǎng)方向排列。原因在于強(qiáng)磁場(chǎng)條件下為降低體系的自由能，形狀各向異性的顆粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致上述結(jié)果。
　　(3)實(shí)驗(yàn)研究了均恒強(qiáng)磁場(chǎng)下不同體積分?jǐn)?shù)內(nèi)生顆粒時(shí)的運(yùn)動(dòng)行為以及對(duì)凝固組織的影響。將處于強(qiáng)磁場(chǎng)條件下Bi-Mn二元

5、合金中半熔化狀態(tài)的固相MnBi相顆粒作為研究對(duì)象，進(jìn)行了內(nèi)生顆粒的運(yùn)動(dòng)、生長(zhǎng)的行為研究，以及凝固組織對(duì)磁性能的影響。結(jié)果表明:體積分?jǐn)?shù)不同，凝固組織中的MnBi相長(zhǎng)軸方向與外加磁場(chǎng)方向角度差異有所變化;體積分?jǐn)?shù)高時(shí)，角度差異較大。但XRD結(jié)果表明，不同體積分?jǐn)?shù)時(shí)的MnBi相晶體取向是一致的，均呈現(xiàn)c軸平行于外場(chǎng)。其原因在于低體積分?jǐn)?shù)時(shí)顆粒間的相互作用更多地呈現(xiàn)吸引和排斥，而高體積分?jǐn)?shù)時(shí)顆粒間的相互作用加強(qiáng)雖然阻礙了固相顆粒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但

6、在隨后的繼續(xù)生長(zhǎng)過程中，MnBi晶粒周圍局部磁場(chǎng)條件的改變導(dǎo)致了MnBi相晶粒的優(yōu)先生長(zhǎng)方向由基面轉(zhuǎn)為c軸方向。半固態(tài)下凝固的Bi-Mn合金的磁性能經(jīng)VSM測(cè)定后，飽和磁化強(qiáng)度明顯高于未施加磁場(chǎng)條件的。
　　(4)實(shí)驗(yàn)研究了梯度強(qiáng)磁場(chǎng)下低溶質(zhì)含量合金中先析出相顆粒的運(yùn)動(dòng)行為以及對(duì)凝固組織的影響。對(duì)Bi-4.36 wt％ Mn合金中先析出的MnBi相顆粒在不同梯度條件下的分布和晶體取向進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明:先析出的鐵磁性MnBi

7、相會(huì)在磁化力的作用下向磁場(chǎng)中心部位發(fā)生運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致偏聚情況發(fā)生，其體積分?jǐn)?shù)是呈連續(xù)梯度分布的。并且先析出的MnBi相由于晶粒尺寸小，相互作用范圍相應(yīng)地小。由此導(dǎo)致先析出的MnBi相晶粒形成的聚集體尺寸及間距均小于后期凝固過程中形成，即更靠近試樣中心部位的聚集體尺寸及間距。聚集區(qū)的MnBi相顆粒的晶體取向一致和高體積分?jǐn)?shù)提高了材料的磁性能。
　　(5)實(shí)驗(yàn)研究了高溶質(zhì)含量合金中先析出相顆粒的運(yùn)動(dòng)、生長(zhǎng)行為以及對(duì)凝固組織的影響。對(duì)Bi-

8、8.25 wt％ Mn合金中先析出的MnBi相顆粒在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度和梯度條件下的形貌和取向進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明:施加均恒磁場(chǎng)后的樣品中心部位以及梯度磁場(chǎng)下的樣品中靠近磁場(chǎng)中心部位，均出現(xiàn)了片層狀，尺寸異常發(fā)達(dá)的MnBi相晶粒，對(duì)其進(jìn)行XRD測(cè)試結(jié)果與低溶質(zhì)條件下情況一致，即MnBi晶體的c軸平行于外場(chǎng)方向。NiAs型六方結(jié)構(gòu)的MnBi相基面生長(zhǎng)速度異常的原因在于，受磁場(chǎng)影響的先析出MnBi相以c軸平行于外場(chǎng)處于熔體之中，其周圍的局部磁