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面向多元镁合金压力下凝固微观组织实验研究及相场建模

【摘要】:镁合金是重要的轻量化材料,挤压铸造是制造高性能结构件的先进成形方法,以具有工程应用价值的多元镁合金挤压铸造为应用背景,开展压力下凝固微观组织演化的实验研究及相场建模,对于深入理解压力下凝固机制,预测压力下凝固微观组织,进而指导挤压铸造技术开发具有重要的理论意义和应用价值。本文建立了透明合金压力下凝固过程原位观察的实验装置,采用透明合金,通过原位观察实验,系统研究了不同恒压力、周期性“升-降”压力、以及不同压力变化速率对枝晶生长形貌以及生长动力学的影响规律。首次观察到了压力降低过程中枝晶的重熔现象,获得了枝晶生长速率与枝晶尖端过冷度及压力之间的定量关系,以及生长或熔化加速度与压力速率的关系。通过在序参量方程中引入熔点相关的项,考虑了压力对自由能的影响,建立了纯物质压力下凝固过程枝晶生长的相场模型。采用原位观察实验结果,对相场模型进行了验证。通过模拟研究揭示了“升-降”压力下的“生长-重熔”规律以及加压速率对枝晶生长动力学的影响机制。根据状态方程计算了压力下吉布斯自由能,发展了三元镁合金压力下凝固的热力学模型,基于该模型计算了不同压力下的Mg-Al-Sn三元相图,并对该模型进行了检验。通过将三元镁合金压力下热力学模型与常压相场模型耦合,建立了三元镁合金压力下凝固过程微观组织演化的相场模型。采用多元镁合金压力下凝固过程微观组织演化的相场模型,结合挤压铸造实验,以Mg-Al-Sn和Mg-Gd-Y三元系为对象,研究了压力对凝固微观组织形貌以及生长动力学的影响。结果表明,压力提高了Mg-Al-Sn合金的枝晶生长速率,促进其二次枝晶臂的生长,减小平均晶粒尺寸;Al元素的微观偏析随压力的升高而加剧,而Sn元素的微观偏析受压力的影响较小;与MgAl-Sn合金相比,Mg-Gd-Y合金的枝晶比较钝化,没有明显的二次枝晶臂。

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