电磁场影响冶金相变机理重大项目

强磁场下液/固界面演化机制及晶体生长行为

课题简介

  金属材料的组织结构直接或间接决定了材料的加工和使用性能,合理调控晶体生长动力学过程是控制金属材料凝固组织的有效途径。本课题利用强磁场的增强洛伦兹力、热电磁力、磁力矩、磁化力和磁偶极子相互作用等多种“新效应”控制合金凝固过程中液/固界面溶质迁移及再分配、液/固界面稳定性及形貌演变规律等动力学行为,进而控制材料的凝固组织。采用具有不同物性的透明有机物和合金体系,进行不同磁场和凝固条件下的体凝固、定向凝固和半固态等温处理实验。借助原位观察技术、金相分析和定量金相技术、微区成分检测分析技术,研究强磁场下液/固界面溶质迁移及再分配、液/固界面稳定性及形貌演变规律等晶体生长动力学行为。结合数值模拟方法分析强磁场下生长动力学与组织演变的关系,揭示强磁场的作用机制。研究结果将有助于完善强磁场下的晶体生长基本理论,为发展高品质和新型功能金属材料的电磁冶金工艺过程提供理论基础。


课题负责人:王强

东北大学教授、博士生导师;

  美国加州大学伯克利分校高级研究学者;东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室;电磁冶金技术及装备国家地方联合工程实验室主任;国家杰出青年科学基金获得者(冶金领域);国家万人计划第一批科技创新领军人才;第四届凝固与铸造数值计算先进技术国际会议主席;冶金过程外场控制学术团队负责人;电磁冶金新技术研发团队负责人。主持国家科技重大专项、973前期、自然科学基金杰出;青年基金、重点和面上等国家级项目; 在国内外重要学术刊物和国际会议上发表论文234余篇 (特邀REVIEW论文2篇),其中有149篇被SCI检索,出版学术专著2部;国际会议上做学术邀请报告33次;获得国家发明专利18项,国际发明专利3项;获辽宁省自然科学二等奖、三等奖各1项,日本金属学;会年度论文奖2次,国际发明家协会联合会科学金奖1项,第40届日 内瓦国际发明展金、银奖各1项。

研究队伍
研究内容
1.强磁场下液/固界面溶质迁移及再分配

  (1)研究强磁场的增强洛伦兹力、热电磁力、磁化力等效应单独或耦合作用对合金凝固过程中熔体内部、液/固界面前沿及糊状区内流体的宏、微观流动行为的影响效果和规律,研究合金成分、合金组元物性、磁场条件和凝固条件对强磁场作用效果的影响规律,分析强磁场对熔体流动行为的作用机制;

  (2)研究强磁场对合金凝固过程中液/固界面溶质迁移及分布、溶质分配系数的影响效果和规律,研究合金成分及其组元物性、磁场条件和凝固条件对强磁场作用效果的影响,结合内容(1)中强磁场的多种效应对流体流动影响的研究结果分析强磁场对液/固界面溶质迁移及再分配行为的作用机制;

  (3)研究强磁场对凝固过程的糊状区内溶质迁移及分布的影响效果和规律,研究固相体积分数、磁场条件和凝固条件对强磁场作用效果的影响规律,结合内容(1)中强磁场的多种效应对流体流动影响的研究结果分析强磁场对糊状区内溶质迁移及再分配行为的作用机制。


2.强磁场下液/固界面稳定性及形貌演变规律

  (1)研究强磁场对凝固过程中液/固界面能和凝固生长过冷度的影响效果和规律,研究合金成分、合金组元物性、磁场条件和凝固条件对强磁场作用效果的影响,从强磁场的能和力效应角度分析强磁场对液/固界面能和生长过冷度的作用机制;

  (2)研究强磁场下合金在凝固过程中液/固界面稳定性及形貌(平面生长、胞状生长、枝晶状生长)的演变规律;研究合金成分、合金组元物性、磁场条件和凝固条件对强磁场作用效果的影响;

  (3)结合内容(1)的结果研究强磁场作用下液/固界面溶质迁移及再分配、界面能和过冷度变化同液/固界面稳定性及形貌演变之间的关系,研究强磁场对液/ 固界面稳定性及形貌转变的作用机制,分析强磁场下液/固界面稳定性及形貌发 生转变的动力学条件。


3.强磁场下晶体生长原位观测及模拟

  (1)原位观测强磁场下典型共晶、包晶和偏晶合金凝固过程中的晶体生长行为, 研究强磁场对共晶、包晶和偏晶反应过程中晶体生长行为的影响效果,并对比强磁场对各反应作用效果的异同;

  (2)研究强磁场对晶体生长过程中固/液两相区结构和形貌演变、等轴晶-柱状晶转变、枝晶的竞争生长、枝晶臂断裂和游离、晶体生长方向、晶粒粗化过程等行为的影响规律;

  (3)采用考虑高阶微扰修正项的广义非定域模型赝势理论,建立强磁场作用下合金熔体在不同过冷度下的凝固分子动力学模型,对强磁场下晶体生长过程进行数值模拟和预测,结合原位观测结果分析强磁场对晶体生长行为的作用机制。


4.强磁场下生长动力学与组织演变的关系

  (1)研究强磁场对晶体微观生长方式(小平面与非小平面)及其组织形貌的影 响规律,研究强磁场下液/固两相体系内颗粒熟化过程中颗粒形貌、尺寸、取向和排列等组织特征的演变规律;

  (2)研究强磁场对物相及晶粒的晶体学取向行为、组织选择(胞晶、枝晶、柱 状晶、等轴晶等)、尺寸特征(晶粒尺寸和间距等)、均匀性(相分布、偏析等) 等组织特征的影响规律;

  (3)结合内容 1、2和 3的研究结果分析强磁场下液/固界面稳定性及形貌演变等生长动力学变化与合金凝固组织演变之间的对应关系,探究强磁场对合金凝固组织演变的影响机制。

在重大项目中所起的作用

  本课题所属的重大项目通过研究电磁场作用下液-固和固-固相变过程中的形核、液/固界面演化及晶体生长行为、固态转变界面特性和相长大行为,探索 电磁场下冶金相变机理,利用热、电、磁、力协同作用控制组织演变和缺陷, 进而形成高品质金属材料冶金工艺过程的电磁场控制技术。本课题主要针对液/ 固界面演化机制及晶体生长行为开展研究,同课题 1(强磁场下冶金相变形核机 制研究)的研究内容相结合后就涵盖了金属凝固的全过程,两个课题的研究结 果将对电磁场下金属的凝固过程形成较完整的认识,对电磁场的作用机制形成 较深入的理解,进而为课题 4(热、电、磁、力协同作用下组织演变及缺陷控制) 提供理论基础。