超常条件下Fe-Cu基难混溶合金的快速凝固机理研究

Liquid alloys can be highly undercooled and then rapidly solidified under extraordinary conditions such as free fall and glass fluxing. The microstructural characteristics and solidification mechanisms are different from those under conventional conditions. In this project, the dendritic growth, microstructural evolution and solute distribution of liquid Fe-Cu-Si and Fe-Cu-Ge immiscible alloys are systematically investigated by drop tube, glass fluxing and melt spinning techniques. The segregation characteristics of microstructural morphology under normal gravity and microgravity conditions are systematically analyzed to explore the underlying mechanisms of liquid phase separation within immiscible alloys. The surface nucleation and solid-liquid interface migration is studied to analyze the dynamic mechanism of rapid dendritic growth within immiscible alloys. The phase constitution, solidification microstructure and solute distribution of rapidly solidified alloys are deeply analyzed to reveal the rapid solidification mechanisms of ternary Fe-Cu-based immiscible alloys.

在自由落体过程和熔体浸浮状态等超常条件下，液态合金可获得深过冷进而实现快速凝固，组织特征及形成机理将与传统凝固显著不同。本项目采用自由落体、熔体浸浮以及熔体急冷三种超常凝固技术，实现液态Fe-Cu-Si和Fe-Cu-Ge难混溶合金的快速凝固，研究其凝固过程中的枝晶生长、组织演化以及溶质再分配等规律。系统分析重力与微重力条件下合金的液相分离特征，探索难混溶合金的液相分离机理。实时监测深过冷条件下合金熔体的表面形核及固液界面迁移，阐明难混溶合金中的快速枝晶生长动力学机制。深入研究快速凝固合金的相组成、组织形貌和溶质分布特征，揭示三元Fe-Cu基难混溶合金的快速凝固机理。

在自由落体和熔体浸浮状态等超常条件下，液态合金可获得深过冷进而实现快速凝固，组织特征及形成机理将与传统凝固显著不同。超常条件下液态合金的快速凝固研究不仅可以促进凝固理论的发展，还能为研发和制备新型合金材料提供科学依据。本项目以自由落体、熔体浸浮以及熔体急冷超常凝固实验为主，辅以数值计算和理论分析，进行了深过冷Fe-Cu-Si和Fe-Cu-Ge难混溶合金熔体的传热传质与快速凝固研究，主要开展了以下三方面的研究工作。一是超常条件下Fe-Cu基难混溶合金的液相分离特征研究，对比分析了合金在自由落体、熔体浸浮和熔体急冷等超常条件下的液相分离形貌特征，获得了合金发生液相分离的共性与特殊规律，研究了过冷度与冷却速率、Stokes运动与Marangoni迁移等因素对液相分离的影响，揭示了三元Fe-Cu-Si/Ge难混溶合金的液相分离内在机制。二是深过冷Fe-Cu基难混溶合金的快速枝晶生长机制研究，系统测定了深过冷合金中初生相枝晶生长速度，获得了枝晶生长速率随过冷度的变化关系，并结合相组成和凝固组织形貌分析，揭示了深过冷条件下三元Fe-Cu-Si/Ge难混溶合金的快速凝固机理。三是深过冷条件下Fe-Cu基难混溶合金的溶质分布规律研究，定量分析了不同过冷条件下合金发生液相分离后的区域成分，获得了液相分离过程中合金的区域成分变化趋势，揭示了溶质Si和Ge在液相分离过程中的分布规律；系统测定了快速凝固后各组成相的溶质含量随过冷度的变化关系，阐明了深过冷条件下合金快速凝固过程中的溶质截留规律。相关成果将加深研究者对难混溶合金凝固规律的认识，并为扩展快速凝固技术的应用范围提供基础。