镁合金凝固过程三维枝晶形貌和生长取向研究进展:三维实验表征和相场模拟

Mg作为一种典型的hcp结构金属,其枝晶形貌和生长取向受到多种因素的影响,目前针对镁合金中a-Mg枝晶生长模型的描述以及多样性的起源等问题的研究都比较缺乏,基于此,本文综述了本课题组在镁合金凝固微观组织结构三维表征方面取得的研究成果.借助同步辐射X射线微观断层扫描技术以及相场数值模型,研究了镁合金凝固过程中a-Mg(X)枝晶生长选择多样性的形成机理以及固溶合金元素(Al,Ca,Zn和Sn等)、固溶元素含量(溶质浓度)等因素对a-Mg枝晶生长选择和演化的影响.研究结果表明,固溶元素、固溶元素含量等因素都会对镁合金中a-Mg三维枝晶形貌和择优取向产生重要影响.在Mg-Ca和Mg-Al(hcp-fcc)合金中,枝晶倾向于以<1120>或<2245>为择优方向生长.在Mg-Sn(hcp-bct)合金中,等轴生长的枝晶沿着基面上<1120>和偏离基面的<112X>(X≈2)方向形成一种18次分支的结构,在Mg-Zn(hcp-hcp)合金中,a-Mg枝晶的择优取向会随着Zn含量的增加,从<1120>方向朝偏离基面的<1121>方向发生连续转变,并在转变的过渡区,发现了超支化的藻状枝晶结构,其原因可能是高各向异性Zn元素的引入带来的固/液界面自由能各向异性的变化.研究结果从一定程度上揭示了镁合金凝固过程中a-Mg枝晶生长形貌和分支结构选择多样性的规律.同时基于快速X射线成像技术率先开展了镁合金凝固过程三维微观结构演化原位表征研究,获得了镁合金凝固过程三维枝晶的生长演化过程.

三维枝晶生长数值模拟及实验验证(英文)

建立了用于模拟立方晶系合金三维枝晶生长的改进元胞自动机模型。该模型将枝晶尖端生长速率、界面曲率和界面能各向异性的二维方程扩展到三维直角坐标系,从而能够描述三维枝晶生长形貌演化。应用本模型模拟在确定温度梯度和抽拉速度条件下三维柱状晶生长过程的一次臂间距调整机制和不同择优取向柱状晶之间的竞争生长。使用NH4Cl?H2O透明合金进行凝固实验,模拟结果和实验结果吻合较好。

基于微观测量技术的Cu-10.25%Mg过共晶合金定向凝固过程中的枝晶形貌分析

采用连续切片三维重构技术,以C15结构的Laves相Cu2Mg为研究对象,研究Cu-10.25%Mg过共晶合金定向凝固过程中初生相Cu2Mg的三维枝晶形貌。结果表明,其二次侧枝具有"板条"、"棱面"和"八面体"的形态,三维截面组织能够较好的反映初生相Cu2Mg的枝晶形貌,共晶组织填充了一次枝晶干和侧枝之间存在的空隙。