复杂Al-Mn基金属间化合物的三维结构调控及生长动力学

The morphology, grain size, distribution, volume fraction and solidifying characteristic of intermetallic compounds (IMCs) affect the mechanical properties of materials significantly. Moreover, the 3-D structural control and growth kinetics of IMCs constitute essential theoretical foundation for the development of advanced IMCs-reinforced metal-matrix composites. However, the complex crystal structures of IMCs and difficulty of in-situ observation have limited the research on the complex IMCs. Previous research is mainly based on the static analysis by characterizing the quenched sample at different stages, hence investigations on the growth behavior, growth mechanism and growth dynamics of IMCs remain little. In this proposal, we will choose Al-Mn hypereutectic alloys to study the 3-D structure and growth kinetics of primary Al6Mn λ-Al4Mn、μ-Al4Mn and icosahedral quasicrystal complex IMCs by combining the Bridgman directional solidification with in situ synchrotron radiation imaging and diffraction techniques. The influence of solidification conditions and physical fields on the morphology feature and growth behavior of complex IMCs will be systematically studied to control their grain size, microstructure, distribution and volume fraction. This project will provide theoretical foundation for the development of advanced IMCs-reinforced metal-matrix composites.

金属间化合物的形貌、尺寸、分布、体积分数和凝固特性对金属材料的力学性能有非常重要的影响，其三维结构调控和生长动力学是制备先进金属间化合物增强金属基复合材料至为关键的理论基础。然而，由于大多数金属间化合物的晶体结构比较复杂以及原位分析手段的限制，对复杂金属间化合物的研究主要基于不同阶段的淬火试样进行静态分析，而缺乏对其生长行为、生长机制和生长动力学进行系统的研究。本项目选择Al-Mn基过共晶合金系为研究对象，依托我国上海光源大科学装置，结合Bridgman 定向凝固技术和高能同步辐射原位成像与衍射技术，研究初生Al6Mn、λ-Al4Mn和μ-Al4Mn和二十面体准晶复杂化合物相的三维结构、形貌演变及生长动力学，揭示凝固条件和外物理场对复杂金属间化合物形貌特征和生长行为的影响规律和内在机理，达到主动控制其尺寸、形貌、分布和体积分数的目标，为发展金属间化合物增强复合材料提供理论基础。

在国家自然科学基金(No. 51401044) “复杂Al-Mn基金属间化合物的三维结构调控及生长动力学”的资助下，我们圆满的完成了预定计划中的各项工作，所获成果也均达到预期目标。首先，我们通过Bridgman 定向凝固方法获得了一系列不同冷却条件下的定向凝固合金试样，通过控制不同凝固参数（温度梯度G和生长速度V）研究了不同冷却条件下Al-Mn基合金的组织演化规律，利用深腐蚀萃取方法表征了不同冷却条件下复杂金属间化合物的三维结构（形貌、尺寸、分布、体积分数等）和生长行为。其次，研究了不同凝固条件下获得的金属间化合物（包括准晶）颗粒原位增强Al-Mn基合金的力学性能，探讨金属间化合物的生长行为、形貌、尺寸、分布等因素对合金的微观组织和力学性能的影响规律。最后，实时原位地观察了Sn-Cu基无铅焊料凝固过程中，金属间化合物Cu6Sn5的生长演变过程，定量地分析了微量的La和Al等元素对Cu6Sn5生长行为的影响并解释了其机理，为进一步完善无铅焊料焊接凝固过程Cu6Sn5的生长行为及形成机理提供了直接的实验数据。. 依托此项目(No. 51401044)协助培养了博士研究生6 名，硕士研究生5 名；发表SCI 期刊论文15篇，国内期刊论文1篇，会议论文1篇，其中期刊论文IF>2 的7 篇；授权发明专利7 项，申请发明专利5项，获辽宁省自然学术成果奖3项。此外，项目负责人获2017年大连青年科技之星称号，入选2015年度中国博士后科学基金获得者选介，在2015和2016年连续两年在校年度考核中获得优秀。