电磁分离制备自生梯度材料的相分布与控制

摘要

梯度材料(Functionally Graded Materials.FGMs)是指材料成分或微观组织在几何空间上呈现连续梯度变化，克服了材料结合部位性能不匹配问题，而材料不同部位具有显著不同物理性能，从而使材料满足特殊使用要求。电磁分离法制备自生梯度材料(Process of in-situ FGMs by electromagnetic separation method)的原理是：由于初生相和合金熔体之间存在导电性差异，电磁场作用下初生颗粒将在熔体内有规律地移动，通过控制初生颗粒运动速度和合金熔体凝固过程，使初生相颗粒在熔体中呈现梯度分布，从而获得初生相颗粒在铸件中梯度分布的自生梯度材料。电磁分离制各自生梯度材料优点是：工艺简单、制备周期短；增强颗粒从基体中原位生成，具有热力学稳定性。本文对电磁场作用下颗粒在熔体内运动进行了详细地理论分析，并建立了简单易行、操作方便的电磁分离制备梯度材料实验系统，然后对电磁分离法制各自生梯度材料中的相分布、工艺参数影响、制备多层梯度材料以及适用范围进行了深入研究。 根据电磁分离基本原理，对稳恒电磁场作用下颗粒在熔体内运动进行了详细分析，获得了包括颗粒形状系数、颗粒体积分数和熔体温度等因素的颗粒稳态运动速度表达式。结果表明，除熔体和颗粒物理性能参数外，颗粒尺寸、颗粒形状、电磁力大小、颗粒体积分数以及熔体温度是决定颗粒稳态运动速度的主要因素。 理论计算表明，颗粒在熔体内移动单位距离所需时间与电磁力关系曲线存在一个电磁力临界值。当电磁力小于临界值时，颗粒在熔体内移动单位距离所需时间急剧增加。电磁力临界值随颗粒直径增大而减小，对于直径在50-110μm的Si颗粒，在720℃的铝熔体内电磁力临界值在0.5-2.5×10<'4>N／m<'3>范围之间。 电磁分离方法制备的过共晶Al-Si和Al-Mg<,2>Si铸件试样中，从试样一端到另一端微观组织依次为：过共晶组织—共晶组织—亚共晶组织。在过共晶组织区(即初生颗粒聚集区)，初生Si和Mg<,2>Si颗粒容易发生团聚而形成较大的颗粒簇，不利于初生颗粒在颗粒聚集层均匀分散分布。铸件中添加约4wt％Ti后，熔体在析出Si或Mg<,2>Si之前形成了新相颗粒(A1-Si熔体中形成Al-Si-Ti金属间化合物，Al-Mg-Sj熔体中形成Al<,3>Ti和Al-Si-Ti金属间化合物)阻止了初生颗粒发生团聚，使得初生颗粒均匀分散分布，有利于获得初生颗粒平缓过渡的梯度材料。在电磁分离制备的Al-Si共晶和亚共晶铸件试样中，微观组织也呈现梯度变化特点。 不同工艺参数下，电磁分离获得铸件试样中初生颗粒体积分数的分布表明，电磁力大小、液相线温度以下熔体凝固速率、合金体系以及初生颗粒体积分数总量是决定初生颗粒分布的主要因素。电磁分离制备梯度材料也存在一个电磁力临界值，只有当电磁力大于临界值时才能获得组织随空间位置变化的梯度材料，否则不能获得组织随空间位置变化的梯度材料。电磁力临界值可以用颗粒在熔体内移动单位距离与电磁力的关系曲线理论预测。电磁力增大和熔体凝固速率减慢，使得颗粒聚集区内颗粒体积分数及其分布梯度增加，电磁力增加也使得初生颗粒尺寸变小。初生颗粒体积分数总量较低时，颗粒体积分数增加使颗粒聚集区内颗粒体积分数及其分布梯度增大；当初生颗粒体积分数总量达到一定值后，颗粒体积分数增加使颗粒聚集区内颗粒体积分数增大，但是其分布梯度减小。 通过对Al-Si-Ti合金的成分设计，利用电磁分离方法成功制备出含有Al-Si-Ti三元化合物颗粒聚集层、si颗粒聚集层和Al-Si共晶组织层的三层梯度材料。研究表明，电磁分离制备多个初生颗粒聚集层的梯度材料时，不仅合金系要满足不同温度区间内可以析出两种或多种初生相的热力学条件，而且必须保证每种初生颗粒有充足移动时间能够聚集成层的动力学条件。 熔体与颗粒导电率比值和颗粒所受到电磁斥力的关系研究表明，导电率比值ζ=2时，颗粒受到电磁斥力与等尺寸颗粒受到最大电磁斥力(导电率为0时)的比值为0.4；当导电率比值ξ≥10后，颗粒导电性变化对颗粒受到电磁斥力的影响很小。因此，电磁分离制备自生梯度材料方法适用于广泛的合金系。利用电磁分离方法成功制备了Al/Al<,3>Ni系梯度材料，结果表明试样中颗粒体积分数较高的一端，片状Al<,3>Ni相的平面方向趋向于电磁斥力垂直方向排列，另外一端的Al<,3>Ni相呈现无规律排列。

目录

文摘

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第一章资料综述

第二章电磁场下颗粒在熔体内的运动分析

第三章实验装置及熔体冷却特性

第四章电磁场下铸件的相分布

第五章工艺参数对Al/Mg2Si铸件中初生颗粒分布的影响

第六章电磁分离制备多层梯度材料

第七章电磁分离制备Al/Al3Ni梯度材料

第八章结论与展望

创新点

附录

研究成果及获奖情况

致谢

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