磁场作用下制备过偏晶轴瓦合金凝固过程的基础研究

Al-Bi hypermonotectic alloy and Al-Pb hypermonotectic alloy are potential excellence bearing materials in automobile industry. However, liquid-liquid separation of the alloys lead to uneven distribution of microstructure during solidification process, and cause macrosegregation formation of solidification structure finally. Exploring the solidification process of complex microstructure evolution which is made up of nucleation, diffusion growth, Ostwald coarsening, gravity sedimentation, Marangoni migration, Stokes motion and collision coagulation, and looking forward to new ways and new technology of preparation of homogeneous hypermonotectic bearing alloys is the important way to reduce the manufacturing cost and to improve the comprehensive performance. This project uses joule heat, magnetizing force and Lorentz force generated in the steady magnetic fields and steady high magnetic fields to act on solidification of the Al-Bi and Al-Pb hypermonotectic bearing alloys through the miscibility gap. By this means, all kinds of influencing factors leaded to liquid-liquid separation are controled. This project analyzes dynamics and thermodynamics mechanism of solidification process of the alloys, and developes corresponding mathematical models. The combination of numerical simulation and experimentation explores the influence on liquid-liquid separation law by magnetic flux density, magnetic gradient, composition, cooling rate. It provides theory evidence and technical guidance to explore the preparation of hypermonotectic bearing alloys with uniform structure.

Al-Bi和Al-Pb过偏晶合金是汽车工业潜在的优良轴瓦材料。但该类合金在凝固过程中由于液-液相分离而导致微观组织的不均匀分布，造成最终凝固组织的宏观偏析。探索过偏晶合金由形核、扩散长大、Ostwald熟化、重力沉降、Marangoni迁移、Stokes运动和碰撞凝并复杂微观组织演变组成的凝固过程，以期寻求制备均质Al-Bi和Al-Pb过偏晶轴瓦合金的新方法和新工艺，是降低其制造成本和提高其综合性能的重要途径。本项目拟利用稳恒磁场和稳恒强磁场产生的焦耳热、磁化力和洛伦兹力作用于Al-Bi和Al-Pb过偏晶轴瓦合金难混溶区的凝固过程，控制导致液-液相分离的各种影响因素。揭示稳恒磁场下此类合金凝固过程的动力学和热力学机制，建立对应的数学模型，通过数值模拟与实验相结合，揭示磁感应强度、磁场梯度、合金成分、冷却速率对液-液相分离规律的影响，为探索制备均质过偏晶轴瓦合金提供理论依据和技术指导。

Al-Bi和Al-Pb偏晶合金材料具有较高的抗磨损性能、可靠的承载力和良好的自润滑性能，是一种潜在的优良轴瓦材料，在工业上具有较高的应用价值。但该类偏晶合金材料优异的物理性和力学性能只有在第二相均匀分布的偏晶合金凝固组织中才能体现，而该类偏晶合金的凝固组织形态在很大程度上取决于难混溶区液-液相分解和分离过程。因此，控制偏晶合金材料的凝固过程已成为提高材料性能和开发新材料的重要途径。本项目以典型的二元偏晶系Al-Bi和Al-Pb合金为研究对象，采用数值模拟与实验研究相结合的方法研究了无重力、重力、1T稳恒磁场、10T超导强磁场、不同合金成分及环境温度条件下Al-Bi和Al-Pb偏晶合金难混溶区的凝固过程，揭示了稳恒磁场和超导强磁场在偏晶合金难混溶区液-液相分离和分解过程中的作用机制。采用欧拉-欧拉法建立了偏晶合金难混溶区凝固过程中第二相形核、扩散长大、Ostwald熟化、Marangoni迁移、Stokes运动以及Lorentz力、磁化力抑制对流等复杂物理过程的综合数学模型，并以守恒方程为基础建立了第二相液滴密度守恒方程以及两相溶质传输守恒方程。在CFD计算流体力学软件的基础上进行偏微分方程和物理量的二次开发，数值模拟研究了不同度条件下的Al-Bi和Al-Pb偏晶合金难混溶区凝固过程两相温度场、速度场、浓度场和第二相液滴平均直径、体积分数、密度的演变过程和分布情况，分析了各物理场对凝固组织宏观偏析的影响，揭示了不同磁场强度对偏晶合金宏观偏析的影响规律，并通过实验对数值模拟进行了验证。研究结果表明，重力使得速度场呈轴对称外环流分布，促进了第二相液滴的扩散长大，造成了试样底部大尺寸第二相液滴的层状堆积和体积分数的剧增。Al-10%Pb偏晶合金施加1T稳恒磁场后，第二相液滴的最大迁移速度仅为重力条件下的1.12%，第二相液滴的最大平均直径约减小为重力条件下的10.51%。10T超导强磁场促进了第二相液滴的形核，影响了第二相液滴的迁移，细化了第二相液滴的尺寸，缩小了第二相液滴平均直径的分布范围，有效改善了凝固组织的宏观偏析。