上海大学《Scripta Mater》重要进展!磁场对金属形核生长的影响_界面

文章正文
发布时间:2020-07-08 21:55

高品质金属材料是先进装备制造业发展的基础。提升金属材料品质既是我国发展航空、航天、高端装备的重大需求,也是世界冶金技术发展的主要方向之一。控制金属材料品质的核心过程之一是冶金相变过程,而常规的“热”手段已较难实现对冶金相变过程的有效控制。新近发现的磁致过冷等效应为电磁场控制冶金相变过程开辟了新的途径,同时在电磁场影响金属凝固形核、生长和金属塑性机制等方面提出重大科学问题。

金属液-固相变形核是凝固理论重要的组成部分。形核是一切凝固组织的起源,直接决定着材料最终的凝固组织进而影响材料的性能。固/液界面能是决定形核过程中关键因素,准确的获得固/液界面能,对凝固过程中诸如形核率、生长速率和生长方式等许多问题进行分析和研究,从而对凝固特性所决定的材料组织和性能进行有效的调控具有重要科学意义。外加磁场作为一种能够直接、无接触、无污染调控金属凝固组织的强有力的手段,国内已经从上世纪九十年代开始进行了大量而又系统性的研究。但是,磁场对金属形核和生长深层次影响机制,依然没有被探明。揭示磁场影响金属固/液界面能机制,探明强磁场对凝固过程中液-固形核和生长影响的内在本质机理,有望利用外加磁场技术控制金属的形核和生长过程,从而改善凝固组织和性能。

近期,上海大学高品质特殊钢冶金与制备省部共建国家重点实验室在这方面取得突破性进展。该工作以The effect of static magnetic field on solid-liquid interfacial free energy of Al-Cu alloy system为题,近日在线发表在金属材料领域顶级期刊Scripta Materialia。该实验室16级博士研究生黄成林为论文第一作者,通讯作者为任忠鸣教授。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.06.025

本文通过一种改良的测量金属固/液界面能的方法(晶界凹槽法),首次测得了磁场下金属固/液界面能,并分析了磁场影响固液界面能的机制。以下对本研究的实验原理、实验结果和机制分析做出了简略的阐述。

1 实验原理

图1.晶界凹槽法测量金属固/液界面能的原理示意图

温度梯度下的晶界凹槽法是目前一种最为通用的测量金属固/液界面能的手段。在本方法中,由于俩晶粒间晶界与高温熔体在温度梯度下保持平衡,即会形成平衡的固/液界面形貌,我们称之为晶界凹槽,如图1所示。在获得晶界凹槽后,由Gibbs-Thomson方程:

可知,只需要获得∆Tr,r(x,y),∆Sf,的数值即可计算出金属固/液界面能数值。

本文提出一种静态抽拉法测量温度梯度的方法,结合数值模拟,准确地获得了金属固/液界面处地温度梯度GSL及晶界凹槽附近的温度场。

图2.(a)温度场的示意图(b)Al-Cu体系晶界凹槽附近的温度场数值分布

基于图2原理方法获得晶界凹槽上任意一点的的数值,为了减小小曲率直接测量带来的误差,因此我们采用以下的数值方法准确的获得r(x,y)。

图3.晶界凹槽上俩点的温度差值的示意图以及ds,dθ和 r定义

由上式即可将r(x,y)考虑进入金属固/液界面能的计算中。最后可通过下式计算得知

CS,CL分别是固相和液相的成分。R是气体常数,TM是熔化温度,VS是固相的摩尔体积,mL是平衡相图上液相线的斜率。

2 实验结果和机制分析

实验结果如下图4、图5所示:

图4.典型的固相α-Al-液相Al-Cu 体系的晶界凹槽形貌(a1,a2) 未施加磁场,B=0T(b1,b2)施加稳恒强磁场,B=5T。磁场方向与宏观的固/液界面相互垂直

图5. 典型的固相CuAl2-液相Al-Cu 体系的晶界凹槽形貌(a1,a2) 未施加磁场,B=0T(b1,b2)施加稳恒强磁场,B=5T。磁场方向与宏观的固/液界面相互垂直

图4和5分别为α-Al/Al-Cu体系和Al2Cu/ Al-Cu体系的晶界凹槽的几何形貌,在施加磁场后晶界凹槽的形貌(如凹槽的深度、曲率)发生了明显的改变,利用Matlab中Canny算法精准提取边界轮廓曲率,以便精确计算固/液界面能。

图6.固/液界面能数值的变化以及磁偶极子理论示意图

结果如图6所示,α-Al/液相Al-Cu体系的固/液界面能,施加磁场后上升了近31.5%,而CuAl2/液相Al-Cu 体系,施加磁场后降低了近46.17%。固/液界面能急剧的变化,意味着磁场强烈地影响金属形核和生长过程。对于相同液相成分的Al-Cu合金液体,磁场对于形成两种析出相(α-Al和CuAl2相)的固/液界面能作用截然不同的。基于磁偶极子理论合理地解释Al-Cu体系金属固/液界面能发生的变化的原因是由于固/液界面俩侧原子或原子团簇存在磁性差异,磁场直接作用于固/液界面处俩侧的原子,导致俩侧原子或原子团簇的相互作用力发生改变,导致其固/液界面能发生不同的变化。

展望

本文发现的磁场影响凝固过程固/液界面能及其作用机理为基于电磁场调控凝固过程,改善凝固组织和性能提供了重要理论支持。有望在先进金属材料制备技术领域发挥重要作用。特别是在金属3D打印(其本质是金属熔化和凝固过程,即为微小熔池形成和快速凝固过程)中,目前由于控制其凝固过程手段非常有限,电磁场控制有望为金属3D打印过程的组织调控提供新的可能。

*感谢论文研究团队对本文的大力支持.

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。欢迎转载请联系,未经许可谢绝转载至其他网站。

首页
评论
分享
Top