AL-Bi偏晶合金難混溶區(qū)液相分離的模擬與控制.pdf

1、偏晶合金是一類具有重要工業(yè)應(yīng)用前景和價(jià)值的材料，它以其特殊的性能和廣泛的用途被應(yīng)用于自潤(rùn)滑材料、超導(dǎo)材料、電觸頭材料及軸瓦材料等領(lǐng)域中。常規(guī)條件下，偏晶合金的凝固會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的偏析甚至分層，其應(yīng)用受到很大限制。研究偏晶合金難混溶區(qū)凝固過(guò)程液相分解及分離行為的微觀組織演變機(jī)制，為偏晶合金生產(chǎn)工藝的優(yōu)化和制備技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供重要的理論依據(jù)和預(yù)測(cè)手段，對(duì)制備均質(zhì)偏晶合金具有十分重要的意義。本文以無(wú)重力、重力和磁場(chǎng)條件下Al-Bi偏晶合金難混溶區(qū)液

2、相分離形成機(jī)制為核心，進(jìn)行了以下工作。
　　開(kāi)展了重力條件下Al-10％Bi偏晶合金難混溶區(qū)液相分離過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究，考察了有、無(wú)磁場(chǎng)條件下不同合金成分對(duì)偏晶合金液相分離的影響。結(jié)果表明，重力條件下富Bi液滴的平均直徑隨著凝固時(shí)間線性增大，液滴數(shù)量密度隨著凝固時(shí)間呈指數(shù)遞減。重力下較強(qiáng)的對(duì)流運(yùn)動(dòng)增加了碰撞凝并的概率，試樣下部富Bi液滴的最大直徑隨凝固時(shí)間呈指數(shù)增大。隨著合金成分的增加，富Bi液滴的平均直徑呈對(duì)數(shù)增大，不同位置富Bi液

3、滴數(shù)量密度的差距逐漸增大。穩(wěn)恒磁場(chǎng)的施加促進(jìn)了富Bi液滴的形核，并抑制了富Bi液滴的碰撞凝并和重力遷移，使富Bi液滴得到細(xì)化。
　　建立了偏晶合金難混溶區(qū)凝固過(guò)程的兩相數(shù)學(xué)模型，模型中包括形核、擴(kuò)散長(zhǎng)大、Ostwald熟化、重力沉降、Marangoni運(yùn)動(dòng)、Stokes運(yùn)動(dòng)以及電磁力抑制對(duì)流等多種復(fù)雜物理現(xiàn)象耦合的液相分解和分離機(jī)制。分別模擬了無(wú)重力、重力和磁場(chǎng)條件下不同模型尺寸、不同冷卻速率和不同合金成分的Al-Bi過(guò)偏晶合金難

4、混溶區(qū)液相分離的形成。
　　研究了重力和無(wú)重力條件下Al-10％Bi過(guò)偏晶合金凝固過(guò)程中的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、L2相液滴尺寸、體積分?jǐn)?shù)和液滴數(shù)量密度的分布，揭示了冷卻速率和合金成分對(duì)偏晶合金液相分離的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，重力條件下試樣下部區(qū)域存在較強(qiáng)的對(duì)流換熱，導(dǎo)致了該區(qū)域溫度的降低。無(wú)重力條件下Marangoni力驅(qū)動(dòng)L2相液滴向中心高溫區(qū)遷移，而重力條件下Marangoni力的影響較小，重力使得

5、速度場(chǎng)呈軸對(duì)稱外環(huán)流分布。重力作用促進(jìn)了L2相液滴的擴(kuò)散長(zhǎng)大，造成了試樣底部大尺寸L2相液滴的層狀堆積和L2相體積分?jǐn)?shù)的增加。無(wú)重力條件有利于Al-Bi過(guò)偏晶合金凝固過(guò)程中L2相液滴的形核和均勻分布。
　　模擬研究了有、無(wú)磁場(chǎng)對(duì)Al-10％Bi過(guò)偏晶合金凝固過(guò)程中的溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、L2相液滴尺寸、體積分?jǐn)?shù)和液滴數(shù)量密度的影響，揭示了不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下對(duì)偏晶合金液相分離的影響規(guī)律，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，穩(wěn)恒磁場(chǎng)削弱了