声悬浮合金熔体的形态振荡与快速凝固规律研究

声悬浮是实现金属和非金属熔体无容器凝固的有效方法之一。但是，声悬浮液滴运动过程的复杂性和随机性给深入探索无容器条件下熔体的凝固机制和组织形成规律带来困难。本项目拟以Pb-Sb、Ag-Cu-Ge和Ti-Al等合金熔体为主要研究对象，采用单轴式声悬浮、激光加热、高速摄影和主动声场调制等实验方法，系统开展声悬浮合金熔体的形态振荡规律研究以及受控振荡条件下的深过冷、热物性和快速凝固规律研究；结合声悬浮液滴动力学理论和液态金属快速凝固理论，分析合金熔体表面振荡与内部流动的内在联系及其对传热传质、形核和晶体生长过程的影响，建立"表面振荡-内部流动-传热传质-凝固组织"之间的对应关系，深刻揭示声悬浮熔体形态振荡与凝固过程之间的交互作用机制，为进一步优化声悬浮凝固技术奠定基础。

本项目采用超声悬浮、激光加热、高速摄影和声场主动控制等实验方法，研究了声悬浮熔体的形态振荡规律及其与凝固过程的相互作用，揭示了声悬浮条件下合金熔体的快速凝固规律。主要完成了以下四方面研究。（1）声悬浮液滴的形态振荡规律。采用大变形液滴，实现了水滴的八阶和九阶扇谐振荡；发现只有在液滴粘度小于一个与振荡阶数有关的临界粘度时，该阶扇谐振荡才能被激发；合金熔体的形态振荡可一直持续到凝固完全结束。（2）声悬浮液滴的内部流动规律。扇谐振荡液滴的内部流动主要发生在赤道平面内，可用二维平面势流模型描述；发现准静态悬浮液滴内部存在一种特殊涡流形态，其旋转轴在水平方向。（3）声悬浮熔体的无容器凝固过程。采用自适应柔性反射端，有效提高了高温条件下的声悬浮稳定性，实现了In-Bi、Ag-Cu、Ni-Sn和Ag-Cu-Ge等合金的声悬浮无容器凝固；声悬浮条件下Ni-Sn共晶凝固组织中出现了不规则共晶，表明发生了快速共晶生长；发现声悬浮条件促进环己烷液滴的蒸发，可以使其温度自发降至熔点以下并发生凝固。（4）悬浮液滴的表面波动现象及其与凝固过程的相互作用。发现在水滴的轴对称振荡过程中伴随出现表面毛细波，其形成机制是高频声压引起的参数共振；在共晶合金的声悬浮凝固过程中，也普遍发现表面波纹，其形成机理与悬浮熔体的表面形核、液固界面的辐射状推移及声辐射压的低频调制有关。本项目执行过程中发表论文12篇，培养研究生2人。