基于宏观-微观方法的多元合金枝晶非平衡凝固动力学研究

本项目以多元合金枝晶非平衡凝固为研究对象，理论方面，首先在综合考虑浓溶液，液、固相线非线性，液/固界面及液相扩散非平衡，界面能及动力学各向异性的基础上，提出微观尺度的界面动力学理论和枝晶生长模型；其次，将液相扩散非平衡效应引入到平均体积方法中，在系统研究多相传输特征物理量的基础上，将宏观扩散场量的平均值与微观界面参量的平均值联系起来，提出宏观尺度传热、传质现象的理论模型；最后，基于宏观-微观方法完成微观尺度动力学模型与宏观尺度多相传输理论的多尺度耦合，建立多元合金枝晶非平衡凝固动力学理论。实验方面，采用精确设计的深过冷/超过冷快速凝固实验，深入研究Ni基多元合金枝晶非平衡凝固行为、凝固组织特征及演化规律。结合理论分析和实验结果分析探讨给定形核与碰撞方式下，凝固条件与凝固动力学参量（温度、成分、体积分数等）、凝固组织形成及演化间的定量关系，为亚稳材料制备中枝晶凝固行为的控制提供理论指导。

凝固理论于生产实践的应用程度取决于我们描述多元合金微观组织演化的能力。本项目以多元合金为研究对象，采用理论分析与实验验证相结合的方法对枝晶非平衡凝固动力学进行了研究，取得的主要研究成果有：（1）基于热力学极值原理的二元合金尖锐界面动力学模型；（2）基于热力学极值原理的二元合金等温相场模型；（3）耦合非平衡溶质扩散效应的等温相场模型；（4）基于热力学极值原理的多元合金尖锐界面动力学模型；（5）多元合金的平界面稳定性理论；（6）多元合金枝晶生长理论；（7）多元定比化合物的界面动力学模型；（8）耦合三相交界线动力学的二元共晶、共晶枝晶凝固模型。研究成果发展了描述复杂多元合金体系非平衡耗散的热力学极值原理，提出了描述非平衡溶质扩散的有效移动性概念，阐明了界面迁移速度、界面成分与界面温度间的函数关系，有助于认识理解多元合金非平衡凝固过程。研究成果不仅对多元合金非平衡凝固理论的发展起到很好推动作用，而且可为相关固态相变研究提供一定借鉴。