電磁場作用下鋁中鐵硅雜質(zhì)相形態(tài)與分布的研究.pdf

1、本文是國家重大基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)“高性能鋁材與鋁資源高效利用”中電磁場作用下鋁合金凝固的一部分，主要研究電磁場對鋁中鐵硅雜質(zhì)相形態(tài)與分布的影響。研究內(nèi)容包括：電磁場對液態(tài)Al和固態(tài)Fe界面擴散的影響；強磁場作用下Al-Fe合金中Al<,3>Fe相的形態(tài)與分布；電磁場作用下二元Al-Fe合金及三元Al-Fe-Si合金凝固組織中金屬間化合物的形態(tài)與分布。并探討了電磁場作用下原子的擴散機制，強磁場中Al<,3>Fe相的取向，以及電磁場

2、對AlFe相、AlFeSi相分布規(guī)律的作用機制。本研究的主要工作及取得的研究結(jié)果如下： 第一次系統(tǒng)地研究了直流磁場和交流磁場對液態(tài)Al和固態(tài)Fe界面層形貌、厚度、界面化合物層內(nèi)的金屬間化合物類型及Al基體內(nèi)Fe元素濃度分布的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在無磁場、直流磁場和交流磁場條件下，固態(tài)Fe一側(cè)形成鋸齒狀界面化合物層，該化合物層由Al<,5>Fe<,2>和Al<,3>Fe兩相組成。Al基體一側(cè)由α-Al及分布在其晶界處的針狀A(yù)l<,

3、3>Fe相構(gòu)成，靠近液態(tài)Al和固態(tài)Fe界面處α-Al晶粒細小，遠離界面處，α-Al晶粒粗大。施加直流或交流磁場后，Al離子在固態(tài)Fe中運動的平均速度減小，致使Al離子擴散進入固態(tài)Fe內(nèi)形成的化合物層的厚度變薄。 對輸運過程的動力學(xué)理論分析表明，直流磁場作用下，粒子流橫向擴散系數(shù)D減小一個因子1/(1+ω<'2><,c>τ<'2>)，且直流磁場抑制垂直磁場方向的對流，致使擴散粒子流密度降低。與常規(guī)凝固條件相比，直流磁場條件下固態(tài)F

4、e內(nèi)形成的化合物層中的Al含量及液態(tài)Al基體中Fe元素的濃度均減小。交流磁場在熔體中產(chǎn)生二倍于外磁場頻率的振蕩力，在液態(tài)Al中引起強迫對流，致使界面兩側(cè)維持很高的濃度梯度。與常規(guī)凝固條件相比，交流磁場條件下固態(tài)Fe內(nèi)形成的化合物層中的Al含量及液態(tài)Al基體中Fe元素的濃度均增大，且液態(tài)Al和固態(tài)Fe的界面凹凸不平。 研究了強磁場作用下Al-2.89wt．％Fe合金中Al<,3>Fe相的形態(tài)與分布，利用金相分析和X射線衍射方法分析

5、了Al<,3>Fe相在強磁場中的擇優(yōu)取向，考察了冷卻速率、磁場強度及高梯度磁場對Al<,3>Fe相分布規(guī)律的影響。結(jié)果表明，無磁場條件下，初生Al<,3>Fe相受重力作用沉積在試樣底部。施加12T強磁場后，初生Al<,3>Fe相所受磁力作用和重力作用相平衡，在整個試樣中均勻分布，且沿著易磁化方向[121]發(fā)生定向排列。其取向程度不受冷卻速率的影響，但隨著磁場強度的增大而加強。在高梯度磁場中，初生Al<,3>Fe相所受磁力作用大于重力作用

6、而偏聚在試樣的上部，且多個針狀初生Al<,3>Fe相結(jié)合在一起，形成近似星狀聚合體。由于超導(dǎo)強磁場中存在B<,z>和B<,r>兩個方向上的分量，會同時抑制垂直磁場方向和沿磁場方向的擴散，且磁場強度越大，對擴散的抑制作用愈明顯，初生Al<,3>Fe相越難以長大，因此，隨著磁場強度的增加，初生Al<,3>Fe相變得細小。 研究了直流磁場和交流磁場對二元Al-Fe合金中的相組成、形貌及其分布的影響，通過改變Fe元素含量和冷卻速率等工藝

7、參數(shù)，考察了直流磁場和交流磁場對合金凝固組織的影響。結(jié)果表明，對于過共晶Al-2.89wt.％Fe合金，在無磁場、直流磁場和交流磁場條件下，大部分初生Al<,3>Fe相沉積在試樣下部。施加直流磁場后，部分初生Al<,3>Fe相異常粗大。施加交流磁場后，初生Al<,3>Fe相變得細碎且向試樣中心聚集，呈近金字塔形狀分布。對于近共晶Al-1.99wt.％Fe和亞共晶Al-0.90wt.％Fe兩種合金，在直流磁場作用下，試樣的凝固組織和常規(guī)凝

8、固時無明顯差別。在交流磁場作用下，Al<,3>Fe相富集在試樣中心。減小冷速，Al<,3>Fe相在試樣中心富集得更充分。在不同磁場條件下以0.05℃/s和0.01℃/s冷速凝固的過共晶、近共晶和亞共晶三種Al-Fe合金的凝固組織中只包含α-Al和Al<,3>Fe兩相。凝固過程中施加磁場改變了合金中Al-Fe相的形態(tài)與分布，但沒有改變Al-Fe相的類型。 分析了交流磁場對液態(tài)金屬的作用。在交流磁場作用下，洛侖茲力的無旋部分為沿界面

9、法線方向指向金屬內(nèi)部的作用力。在過共晶Al-2.89wt.％Fe合金中，Al<,3>Fe相比基體Al受到的洛侖茲力大，從而富集在試樣中心。同理，在近共晶Al-1.99wt.％Fe和亞共晶Al-0.90wt.％Fe兩種合金中，含F(xiàn)e團簇比基體Al受到的洛侖茲力大，向熔體中心富集，導(dǎo)致熔體中心處的Fe含量增加，從而使近共晶Al-Fe合金中的初生Al<,3>Fe相和亞共晶Al-Fe合金中的共晶All<,3>Fe相的數(shù)量在試樣中心處增多。

10、 研究了直流磁場和交流磁場對三元Al-Fe-Si合金中的相組成、形貌及其分布的影響，利用相圖計算軟件(Thermo-Calc)對合金的凝固過程進行模擬計算，分析了合金元素含量對合金凝固組織中金屬間化合物類型、數(shù)量及其結(jié)晶溫度的影響。實驗結(jié)果表明，在三元Al-Fe-Si合金中，F(xiàn)e/Si比值決定合金凝固過程中發(fā)生的反應(yīng)類型，從而影響合金凝固組織中結(jié)晶相的種類、形貌及數(shù)量。對于Fe/Si比值為1.2的合金，其凝固組織中的主要含鐵相為細長針

11、狀的Al<,3>Fe相，還有少量的漢字狀α-AlFeSi相；對于Fe/Si比值為0.2的合金，其凝固組織中的主要含鐵相為漢字狀α-AlFeSi相，同時伴生有少量的針狀β-AlFeSi相和顆粒狀Si相；對于Fe/Si比值為0.5的合金，其凝固組織中的主要含鐵相為細小針狀A(yù)l<,3>Fe相，還包含有少量的漢字狀α-AlFeSi相。在這三種Al-Fe-Si合金中，施加直流磁場后，α-Al枝晶間結(jié)晶相在整個試樣內(nèi)部分布均勻，α-Al晶粒形態(tài)較規(guī)