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)應用前景和價值的材料，它以其特殊的性能和廣泛的用途被應用于自潤滑材料、超導材料、電觸頭材料及軸瓦材料等領域中。常規(guī)條件下，偏晶合金的凝固會產生嚴重的偏析甚至分層，其應用受到很大限制。研究偏晶合金難混溶區(qū)凝固過程液相分解及分離行為的微觀組織演變機制，為偏晶合金生產工藝的優(yōu)化和制備技術的開發(fā)提供重要的理論依據和預測手段，對制備均質偏晶合金具有十分重要的意義。本文以無重力、重力和磁場條件下Al-Bi偏晶合金難混溶區(qū)液

2、相分離形成機制為核心，進行了以下工作。
　　開展了重力條件下Al-10％Bi偏晶合金難混溶區(qū)液相分離過程的實驗研究，考察了有、無磁場條件下不同合金成分對偏晶合金液相分離的影響。結果表明，重力條件下富Bi液滴的平均直徑隨著凝固時間線性增大，液滴數量密度隨著凝固時間呈指數遞減。重力下較強的對流運動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間呈指數增大。隨著合金成分的增加，富Bi液滴的平均直徑呈對數增大，不同位置富Bi液

3、滴數量密度的差距逐漸增大。穩(wěn)恒磁場的施加促進了富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液滴得到細化。
　　建立了偏晶合金難混溶區(qū)凝固過程的兩相數學模型，模型中包括形核、擴散長大、Ostwald熟化、重力沉降、Marangoni運動、Stokes運動以及電磁力抑制對流等多種復雜物理現象耦合的液相分解和分離機制。分別模擬了無重力、重力和磁場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過偏晶合金難

4、混溶區(qū)液相分離的形成。
　　研究了重力和無重力條件下Al-10％Bi過偏晶合金凝固過程中的溫度場、速度場、濃度場、L2相液滴尺寸、體積分數和液滴數量密度的分布，揭示了冷卻速率和合金成分對偏晶合金液相分離的影響，并通過實驗對數值模擬進行了驗證。結果表明，重力條件下試樣下部區(qū)域存在較強的對流換熱，導致了該區(qū)域溫度的降低。無重力條件下Marangoni力驅動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、速度場呈軸對稱外環(huán)流分布。重力作用促進了L2相液滴的擴散長大，造成了試樣底部大尺寸L2相液滴的層狀堆積和L2相體積分數的增加。無重力條件有利于Al-Bi過偏晶合金凝固過程中L2相液滴的形核和均勻分布。
　　模擬研究了有、無磁場對Al-10％Bi過偏晶合金凝固過程中的溫度場、濃度場、L2相液滴尺寸、體積分數和液滴數量密度的影響，揭示了不同磁場強度下對偏晶合金液相分離的影響規(guī)律，并通過實驗對數值模擬進行了驗證。結果表明，穩(wěn)恒磁場削弱了