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α-Mg枝晶凝固微观组织三维形貌研究

汪明月  
【摘要】:镁基合金因其密排六方结构(hexagonal close-packed h.c.p.)提出了很多新的科学问题。实际上,即使在目前从理论上对应该如何描述h.c.p.结构的三维枝晶组织形貌、取向选择及演化机理等问题都很不清楚。 本文的主要研究目的是对镁合金凝固过程中先析出相α-Mg(X)固溶体枝晶相的三维形貌及其演化建立一个基准的理解,其中X代表固溶的合金组元,如Al、Zn、Sn等。为了描述这一问题,研究的技术路线为:以Mg Al、Mg Zn和Mg Sn系合金为对象,结合三维实验表征与相场法模拟,研究在不同特性合金熔体中先析出的固溶体相α-Mg(X)的三维特性。具体工作为:1)用同步辐射X射线断层扫描(Synchrotron-based X-ray Tomography)技术对镁合金进行表征,获得了各种形态的α-Mg三维枝晶形貌,深入考察了α-Mg三维枝晶的形貌特征及长大过程中的取向选择现象;2)建立了α-Mg三维枝晶长大的相场模型,使用ξ张量公式考虑固液界面能各向异性对三维枝晶形貌的影响,得出了h.c.p.结构α-Mg固溶体相三维枝晶长大基本规律,获得了一些有价值的结论;3)建立了α-Mg三维枝晶凝固的多晶生长相场模型,用并行算法开展了模拟工作。 研究结果表明α-Mg固溶体相的枝晶形貌在不同的熔体中展现出截然不同的形貌。在Mg Al合金中,树枝晶的三维形貌表现为板型结构,表明了α-Mg枝晶在第三维方向上的受限生长。在Mg Zn合金中,α-Mg树枝晶的三维特性表现为千姿百态的形貌结构,但枝晶尖端的六个二次分枝结构是其中的一种主要现象。三维的相场模拟计算验证了以上的实验发现。在Mg Sn合金中观察到的二维切片α-Mg(Sn)组织特征表明其三维枝晶形貌肯定更加复杂,有赖于进一步地深入研究。另外,研究结果也表明枝晶形貌多样化是多种因素综合作用的结果。 实验与模拟的结果都表明h.c.p.结构的树枝晶三维形貌比预想的要复杂的多。即α-Mg枝晶相的三维形貌还受固溶元素及周围熔体体系的重要影响,另外异质形核相关问题,晶粒间的相互作用等综合因素造就了枝晶生长取向选择上的多样性,因而也表现为形貌上的多样化。本文的相场模拟在一定程度上预测了复杂形貌的α-Mg三维结构形成现象,研究工作也为凝固微观组织的取向可控设计提供了新的视角。


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