难混溶合金核壳组织形成动力学的同步辐射原位研究

Immiscible alloys have broad applications as important functional structural materials, such as self-lubricant materials and electrical contact materials, etc. This kind of alloys can form core-shell morphology under certain conditions upon solidification via liquid phase separation, showing that a method of producing core-shell functional materials may be developed by taking advantage of this characteristic. However, the core-shell morphologies made by this process strongly depend on composition and preparation conditions, leading to the formation kinetics and mechanism of diversity of morphology still remaining unclear, which needs direct experimental evidence to clarify. On the basis of our previous studies and hypothesis, this project aims to in situ observe the levitating solidification process of Fe-Sn immiscible alloys by synchrotron radiation X-ray imaging and small angle X-ray scattering. It is expected to capture the spatial-temporal patterns of the liquid phase separation and morphology evolution, and to detect the dynamic behavior of nucleation, movement and coagulation of the liquid globles of the minor phase. As a result, the formation mechanism of core-shell morphology will be revealed, and a criterion for the formation kinetics will be established. It is therefore of great importance to furthering solidification theories on immiscible alloys, and to providing guidelines for preparation of core-shell microspheres and powders.

难混溶合金在自润滑、电接触材料等方面具有广泛应用前景。该类合金经由液相分离在一定条件下凝固会形成核壳组织，藉此可能发展成为一种核壳功能材料的制备方法。然而，这种核壳组织的制备强烈依赖于成分和工艺条件，其形态多样性的生成动力学和形成条件还不明晰，尚缺少直接的实验证据。本项目在前期研究和猜想的基础上，采用同步辐射成像和小角散射等技术，原位观测Fe-Sn难混溶合金的悬浮无容器凝固过程，捕捉其液相分离与组织演化的时空图样，探明第二相小液滴形核、运动、凝并的动力学行为，进而揭示（多层）核壳组织形成机制，并建立核壳组织形成的动力学判据，从而丰富和发展难混溶合金凝固理论，并为核壳型微球（粉末）制备技术提供理论指导，具有重要的研究意义。

难混溶合金是工业中重要的结构功能材料。该类合金凝固时经由液相分离极易形成严重偏析甚至分层的组织，对此目前尚缺乏清晰的认识和有效的控制手段。针对难混溶合金偏析结构形成的问题，本项目选用Al-Bi难混溶合金，研究了气动悬浮条件下该合金的液相分离机制及偏析演变过程；并借助同步辐射成像技术获得了Al-10 wt.% Bi难混溶合金凝固过程中的偏析演变全景图，分析了第二相液滴的动态行为及气泡诱导偏析行为，并探讨了它们的动态行为机制；在以上研究的基础上，探讨了Al-Bi-Sn核壳型及月食型宏观偏析结构形成机制。得到了以下主要结果：.1. 在气动悬浮条件下，合金熔体发生旋转会使得第二相液滴做离心运动。Marangoni运动、Stokes运动以及离心运动随液滴尺寸变化分阶段控制难混溶合金的液相分离过程，在凝固时间允许的情况下，不同成分的Al-Bi难混溶合金都可以形成Al/Bi 核壳结构。.2. 借助同步辐射成像技术直接观察到了表面偏析发生在液相分离之前。Soret效应使Bi原子大规模下沉。在高冷速条件下，Bi液滴的尺寸分布可以用Gaussian方程来描述。而在低冷速条件下的液相分离初期，Bi液滴以Ostwald熟化方式进行粗化，其尺寸分布符合LSW扩散控制的分布；并且，Bi液滴数量随时间的变化符合logistic种群生长模型。.3. 同步辐射小角散射实验结果表明，Al-10 wt.% Bi难混溶合金的液相分离过程是以富Bi液滴的形核长大方式开始而不是以调幅分解机制开始的。.4. 在Al-10 wt.% Bi合金熔体冷却过程中，采用同步辐射成像技术捕捉到了气泡及其诱导偏析动态行为。偏聚在气泡表面的Bi原子并没有改变单个气泡随机的生长模式，但会改变其尺寸分布行为，使其既不符合Gaussian分布，也不符合LSW扩散控制的分布。.5. 在本论文实验条件下的同步辐射成像结果表明，在Al-10 wt.% Bi合金凝固后，样品上部的Bi溶质来源于正偏析和第二相液滴的Marangoni运动。.6. 表面偏析、Soret效应、热Marangoni运动、溶质Marangoni运动以及Stokes运动在Al/Bi-Sn核壳组织形成过程中起主要作用。如果合金在富Bi小液滴的尺寸小于临界半径(rg)时凝固，那么会形成Al/Bi-Sn同心型核壳组织；反之，则会形成月食结构。