液态Fe基偏晶合金的超声悬浮动力学与快速凝固机理研究

In this project, Fe-based stable and metastable immiscible alloys are selected to investigate the acoustic levitation dynamics and rapid solidification mechanism. This is based on the technical breakthrough of acoustic levitation of large volume and high temperature alloy melt. Firstly, the position detection and feedback control systems of the bulk alloy melt are established to achieve the stable acoustic levitation by analyzing the dynamic distribution of sound field with fast temperature change. Secondly, the shape oscillation of the bulk alloy melt is actively excited. The shape oscillation mechanism and internal flow of bulk immiscible alloys under acoustic levitation condition is revealed. This provides the fundamental information to understand the liquid phase separation and solidification of immiscible alloys. Meanwhile, high undecooling of Fe-based immiscible alloys is obtained under acoustic levitation condition. The dynamics mechanism of liquid phase separation and rapid crystal growth is studied emphatically. Molecular dynamics simulation and phase field method are also used to explore the effect of ultrasound field, shape oscillation, and internal flow on the formation of solidification microstructure. Finally, the microstructure characterization is systematically presented to reveal the relationship between undercooling, microstructure, and mechanical properties.

本项目选取Fe基稳定和亚稳偏晶合金为研究对象，突破大体积和高温度超声悬浮的技术瓶颈，系统开展超声悬浮动力学与深过冷快速凝固机理研究。首先，通过分析快速变温条件下动态声场分布规律，建立超声悬浮合金熔体的位置探测和反馈控制系统，实现大体积高温偏晶合金熔体的稳定悬浮状态。其次，主动激发大体积合金熔体的形态振荡，阐明超声悬浮条件下大体积偏晶合金熔体形态振荡的物理机制，揭示液滴的形态振荡与内部流动的联系，据此分析偏晶合金的液相分离和凝固规律。同时，在超声悬浮条件下实现大体积稳定和亚稳Fe基偏晶合金的深过冷，重点研究其液相分离和快速晶体生长的动力学机制，结合分子动力学和相场理论模拟，探索超声场、形态振荡、内部流动对凝固组织形成过程的作用规律。最后，系统研究深过冷快速凝固合金的微观结构特征，揭示Fe基偏晶合金“过冷度-组织结构-力学性能”之间的关系。

超声悬浮是一种重要的无容器处理技术，在空间材料科学领域具有广泛的应用。在超声悬浮条件下，可以实现深过冷熔体热物理性质测定和快速结晶，对理解材料的亚稳性质与快速凝固规律具有重要价值。本项目以超声悬浮无容器处理实验为主，同时采用电磁悬浮、自由落体、DSC等技术进行对比研究，主要开展了五方面的研究工作：一是超声悬浮声场分布与调控研究，测定和计算了不同几何形状端面配置时声压和声辐射力分布，并创新设计了非轴对称反射端，实现了对声场的有效调控。二是大体积金属材料的超声悬浮动力学研究，通过双发射端相位和间距的精细控制，显著提升了单轴式超声悬浮能力。三是超声悬浮条件下液滴动力学研究，以参数共振机制激发了液滴的扇谐振荡，并揭示了其振荡频率和内部流动的物理规律。四是深过冷偏晶型合金的液相分离规律研究，对比分析了不同凝固条件下的液相分离特征，阐明了第二相液滴Stokes和Marangoni运动对组织形成的影响机制。五是超声悬浮条件下枝晶共晶生长过程研究，针对透明合金和高熔点金属合金，研究了过冷度对凝固组织演变的影响规律，深入分析了共晶型合金表面波与声场的耦合作用机制。相关成果将对超声悬浮的优化设计和应用扩展提供基础，并有力支撑空间材料科学的发展。