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电磁场调控下合金凝固行为同步辐射研究
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摘要
电磁场调控是一种重要的非接触式合金凝固组织控制技术,能够明显地改善组织和均匀成分从而获得优异的力学性能.然而处于高温且不透明的合金凝固过程如同一个黑匣子,无法探知,通常是基于大量的静态金相观察来推断分析合金的凝固行为.由于无法直接观察到电磁场调控下合金凝固的动态过程,如晶体的形核与长大、成分的迁移等,因而对电磁场调控合金晶体生长行为的微观动力学机制缺乏足够的认知,这已成为制约材料电磁加工应用进一步发展的瓶颈.本文依托上海光源BL13W1成像线站,利用高能同步辐射硬x射线实时成像技术及特制的凝固装置,原位研究电磁场调控下Sn基合金晶体的形貌演变与生长行为,系统研究了直流与脉冲电流、行波与脉冲磁场调控晶体生长行为的动力学机制,首次发现过大电流致枝晶尖端分裂,以及行波磁场改变枝晶生长前沿溶质传输模式的独特现象,在此基础上揭示了电磁场熔断枝晶、细化晶粒的内在机理。定量分析电磁场作用下枝晶尖端生长速率以及枝晶间距等关键参数随时间/温度的演变规律,将“时间/温度”与“电磁”因素同时引入晶体生长模型中,构建了具有普适性的电磁场干预下晶体生长动力学模型。阐明了电磁场调控合金结晶组织的内在机理,发现电磁场主要通过改变凝固前沿溶质的传输方式与分布来调控晶体的生长行为与形貌演变,而电磁力碎断枝晶的传统认知并非其主因。

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