强磁场下定向凝固Al-1.2wt.%Fe亚共晶合金组织演化行为研究

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定向凝固技术通过控制凝固速率(拉伸速率)和温度梯度来实现对凝固组织的控制,从而获得具有特殊取向和优异性能的材料,在工业生产和理论研究方面得到了极大的关注。在凝固过程中施加强磁场可以控制熔体流动、改变溶质分布和诱导晶体取向,最终实现对凝固组织的调控。将强磁场技术和定向凝固技术二者相结合为研究凝固理论、提升材料性能以及开发新材料提供了新的途径。然而强磁场下定向凝固对凝固组织的作用机制相对复杂,相关理论的研究仍需深入和完善。本文以Al-1.2 wt.%Fe亚共晶合金为研究对象,借助金相显微镜、X射线衍射、扫描电子显微镜和电子背散射衍射等多种检测手段,考察了拉伸速率和磁感应强度对凝固组织演变、固/液界面稳定性和晶体取向的影响,并对其作用机理进行了分析。首先研究了磁感应强度和拉伸速率对定向凝固稳定区微观组织演变的影响。无磁场条件下,各拉伸速率下的初生α-Al相均沿定向凝固方向规则排列。随拉伸速率的增大,凝固组织发生胞/枝晶转变;初生α-Al一次枝晶臂的宽度和枝晶间距随拉伸速率的增大逐渐减小,组织分布均匀程度增强;磁场的施加诱使凝固组织失稳,初生α-Al枝晶和富Fe相形貌发生改变,初生α-Al枝晶间距减小;在相同的拉伸速率下,磁感应强度的增大降低凝固组织的失稳程度,α-Al枝晶间距减小趋势减弱,这是强磁场引发的洛伦兹力和热电磁力对定向凝固过程中熔体对流竞争作用的结果;磁场对凝固组织影响随拉伸速率的增加逐渐减弱。当拉伸速率V≥100μm/s时,凝固组织形貌未发生明显变化。在对Al-1.2 wt.%Fe亚共晶合金的固/液界面和糊状区演变行为的研究过程中发现,无磁场条件下,拉伸速率的增大降低固/液界面稳定性,诱使界面处凝固组织由胞/枝晶混合组织转变为规则生长的枝晶;糊状区长度随拉伸速率的增大而增大,增大趋势逐渐减弱;1T磁场的施加诱导固/液界面失稳程度加剧,作用效果随拉伸速率的增大逐渐减小。当拉伸速率≤10 μm/s时,固/液界面变得凹凸不平,规则生长的胞/枝晶组织被破坏;当拉伸速率>10μm/s时,固液界面未发生改变,强磁场的施加促进了二次枝晶的生长,加剧枝晶尖端开裂。通过研究拉伸速率和磁感应强度对合金凝固过程中的晶体取向的影响,发现凝固组织中存在{110}α-Al//(010)Al3Fe的位向关系,α-Al相沿<100>方向定向生长,强磁场的施加未能改变α-Al相的取向。在5μm/s拉伸速率条件下,Al3Fe相在热流的驱动下形成了沿[010]方向生长的织构。当拉伸速率或磁场条件改变时,Al3Fe织构消失。
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