强磁场作用下二元合金凝固过程中初晶相生长方式的转变机制

During the solidification process of alloys, the morphology of the solid/liquid interface of the primary phase can alter its growth morphology and the growth behavior of the following phases, and then obviously affect the solidification microstructure and properties of the alloys. It is of great importance to control the morphology of the solid/liquid interface of the primary phase by using external fields. Combining the in situ observation of a transparent alloy and microstructure analysis of binary alloys, the effect of high magnetic fields on the morphology of the solid/liquid interface of the primary phase will be studied. The solidification, directional solidification, and quenching experiments of the transparent alloy and binary alloys in high magnetic fields will be carried out. With the aid of the measurement of grain boundary groove shapes, in situ observation, on-line measurement, and microstructure analysis, the effects of high magnetic fields on the interfacial energy, partition coefficient, and undercooling about the primary phase growth during solidification process of alloys and their mechanism will be investigated. The influences of above effects on the solid/liquid interface morphology of the primary phase and the relation between these influences will be clarified. The effects of high magnetic fields on the morphology of the solid/liquid interface of the primary phase during solidification process of alloys and the mechanism about these effects will be clarified. A novel method for in situ control of the solidification process of alloys by magnetic field will be proposed. The results of this project will enrich the fundamental theory of crystal growth in high magnetic fields, promote the research on the materials science in high magnetic fields, and then guide the control of the microstructure of materials by external fields.

合金凝固过程中，初晶相的生长方式决定了自身形态和后续相的生长行为，进而显著影响合金的组织及性能。利用外场对初晶相的生长方式进行控制具有重要理论意义和应用价值。本项目将透明有机物凝固过程的在线观察、二元合金凝固过程中温度的在线测量和组织的离线检测相结合，研究强磁场下合金凝固过程中初晶相生长方式的变化。通过透明有机物和二元合金的自由凝固、定向凝固和淬火实验，借助晶界凹槽形态测定、原位观察和组织分析等手段，研究强磁场对合金凝固过程中初晶相生长的固/液界面能、溶质分布、过冷度等参数的影响规律和作用机制；考察上述参数在强磁场下的变化规律对初晶相生长方式的作用效果及竞争关系；阐明强磁场对凝固过程中初晶相生长方式选择的影响规律和物理机制；提出利用强磁场控制初晶相生长进而控制凝固组织的新思路。研究结果将完善强磁场下的晶体生长理论，促进强磁场材料科学研究的发展，为外场下材料的组织控制提供理论指导和实验依据。

凝固是材料制备尤其是金属材料制备的最主要途径之一，材料的凝固组织变化会显著影响材料的加工和使用性能。合金凝固过程中，初晶相的生长方式决定了自身形态和后续相的生长行为，进而显著影响合金的最终凝固组织。研究合金凝固过程中初晶相的生长方式既可以为控制初晶相的生长行为提供指导，也可以为控制其他晶体相的生长行为提供参考。强磁场具有增强洛伦兹力、磁化力、磁力矩、磁化能等多种力和能效应的协同效果，为利用强磁场调控初晶相的生长方式提供了可能。本项目将透明有机物凝固过程的在线观察、二元合金凝固过程中温度的在线测量和组织的离线检测相结合，进行了强磁场条件下透明有机物和二元合金的自由凝固、定向凝固和淬火实验，研究了强磁场下合金凝固过程中初晶相生长方式的变化及其诱发的凝固组织演变。项目揭示了强磁场对合金凝固过程中的流体流动、溶质迁移、固/液界面演变的影响规律和作用机制；发现了强磁场诱发初晶相发生小平面生长和非小平面生长之间转变的特殊现象；阐明了强磁场通过改变溶质分布、过冷度和晶体取向而影响初晶相生长方式的物理机制；明确了强磁场下初晶相生长方式改变同相形貌、取向、分布等凝固组织演变之间的关系；提出了利用强磁场控制初晶相生长进而控制凝固组织的新思路。研究结果完善了强磁场下的晶体生长理论，为利用强磁场下的冶金和材料过程调控金属材料微观组织，进而提高材料的性能、设计新功能材料提供了理论指导。