电磁场影响冶金相变机理重大项目

热、电、磁、力协同作用下组织演变及缺陷控制

课题简介

  材料冶金过程中施加强磁场,通过凝固和固态相变过程处理可使晶粒细化,偏析消除,组织均匀,获得高品质的金属材料。电磁场下冶金相变面临复杂的热、电、磁、力环境,其协同作用对组织和性能具有决定性的影响。本课题针对电磁场作用下热、电、磁、力协同作用下组织形态演变规律进行研究,以Fe基、Ni基、Al基等合金为研究对象,结合实验和模拟,考察电磁场施加后液/固两相区及凝固界面前沿热、电、磁、力等参量的变化及协同作用关系。结合数值模拟研究多场耦合作用下凝固多尺度流动及溶质传输规律,建立模型分析电磁场作用下凝固两相区热电磁力和对流。研究电磁场作用对凝固和固态相变过程组织演化规律的影响,结合多尺度模拟技术,获得电磁场下组织演化模型。结合实验研究、模拟计算和理论建模等方法,获得强磁场下冶金相变过程中的组织演变规律,建立磁场调控组织的技术模型,获得磁场控制缺陷的方法,为获得高品质金属冶金技术提供理论依据和技术支持。


课题负责人:李金山

西北工业大学,材料学院院长,教授,博士生导师
  凝固技术国家重点实验室常务副主任;先进金属材料精确热成形技术国家地方联合工程研究中心主任;中国材料研究学会理事;中国有色金属学报(中、英文版)、钢铁研究学报(英文版);特种铸造及有色合金、铸造技术、航空制造技术等期刊编委。长期从事先进金属材料及其凝固过程控制研究,在国内率先开展了强磁场下材料的非平衡凝固行为研究工作;获授权国家发明/国防专利35项,发表学术论文200余篇,出版专著1部;已培养博士、硕士研究生50余名。获省部级科技进步一等奖1项,二等奖4项。


研究队伍
研究内容

1. 多场耦合作用下熔体流动及溶质传输规律

  (1)电磁场下熔体热电磁力和热电磁流动模拟。基于 ANSYS 等软件模拟,分析电磁场作用下熔体内的热电磁力和热电磁流动分布规律,探明不同尺度上热电磁力和热电磁流动随磁场强度和温度等的变化规律;

  (2)电磁场作用下熔体内溶质传输规律。结合模拟,研究电磁场对液/固界面前沿溶质传输过程的影响,分析电磁场、热电磁力和热电磁流动等对溶质传输规律的影响,电磁场对不同凝固类型和组织的形成过程中溶质传输的影响;

  (3)电磁场作用下合金偏析行为。研究电磁场作用下凝固过程两相区的溶质和热量传输过程,探明电磁场特征参数对溶质传输行为和凝固方式等的影响规律,建立热、电、磁和力耦合作用下溶质传输和两相区偏析变化模型。


2. 多场耦合作用下多尺度凝固组织演化模型

  (1)多场协同作用对形核、固-液界面稳定性和枝晶生长的影响。结合课题一和课题二研究成果,获得两相区特征尺度(枝晶形貌、尺度,共晶间距,析出相磁性质等)对液/固界面前沿的热、电、磁、力的交互作用和强磁场对液/固界面形核、界面稳定性和枝晶生长的影响规律;

  (2)热、电、磁、力协同作用下凝固过程组织演化规律。研究电磁场对合金凝固特性、凝固组织和析出相的影响规律,建立电磁处理工艺与凝固组织之间的相互作用关系;发展同步辐射实时成像技术并构建电磁场环境,在线研究电磁场作用下凝固组织演化规律;

  (3) 热、电、磁、力协同作用下凝固过程微观组织演化模拟。采用第一原理分子动力学(AIMD)分析热、电、磁、力协同作用下合金熔体以及液/固界面的动力学特性;基于相场法模拟电磁场作用下凝固过程中微观组织演化,分析磁场类型、强度、梯度等对熔体流动、扩散场、枝晶生长等过程的影响,获得多场耦合作用下凝固过程微观组织演化规律;
  (4)多场耦合作用下多尺度凝固组织演化模型。基于实验和模拟结果,结合理论分析建立热、电、磁、力协同作用下的凝固过程中晶体生长、形貌演变和组织演化过程模型。


3. 多场耦合作用下固态转变组织演化模型

  (1)强磁场作用下固态相转变过程中组织形貌演变规律。强磁场下针对典型合金,如 Fe 基、Ni 基高温合金等材料,研究强磁场下热处理对铁素体、碳化物等相析出过程组织(大小、取向、体积分数、形貌等)演变规律的影响;

  (2)强磁场作用下固态相变过程微观组织演化模拟。基于相场法等手段模拟电磁场作用下固态热处理时的微观组织演化,分析磁场类型、强度、梯度等对晶粒长大、形貌演变和取向形成等过程的影响和初始凝固组织对磁场热处理过程的影响获得磁场作用下固态组织演化规律;

  (3)多场耦合作用下固态转变组织演化模型的建立。基于实验与模拟结果,热、磁、力协同作用分析,搭建多场耦合作用下固态相变过程中,相长大、体积分数变化、形貌演变和取向变化过程的数学关系,建立固态转变组织演化模型。


4. 电磁场作用下组织控制及缺陷预测

  (1)电磁场对合金典型凝固缺陷的作用机制。研究电磁场对合金充型、补缩、偏析等的影响,揭示电磁场-凝固参数-凝固缺陷的相互关系,提出偏析、疏松、热裂等典型缺陷的控制方法;

  (2)电磁场对合金凝固缺陷形成过程的模拟及预测。基于熔体流动、组织演化过程模拟及实验结果,采用有限元软件模拟电磁场的热、电、磁、力作用对典型冶金缺陷形成过程的影戏规律;

  (3)结合电磁场下液/固和固态组织演化模型、缺陷形成机制,提出基于电磁场调控的组织控制和偏析控制方法。采用该方法进行典型工程材料的电磁场冶金处理,获得可控的凝固组织,消除偏析影响。

在重大项目中所起的作用

  重大项目围绕电磁场下的形核机制、相变界面及生长行为和组织演化等方面阐述电磁场作用下的冶金相变机理。本课题作为重大项目的四个课题之一,是项目的重要研究内容和应用出口之一。课题围绕着电磁场作用下复杂的热、电、磁、力协同作用下的组织演化及缺陷控制过程进行研究,其中组织演化过程控制是冶金相变过程的重要组成部分,与前三个课题直接相关,决定着冶金相变最后的材料组织形态。

  缺陷控制是电磁场冶金的重要优势,也是项目研究的重点,本课题通过研究热、电、磁、力协同作用对组织形成和缺陷的控制能够为获得电磁场提高冶金质量的方法服务。综上,本课题与其余三个课题紧密相连,可以直接用到其它课题强磁场下形核机制、相变界面和生长行为的研究成果,是项目的重要研究内容,并且组织和缺陷控制提高冶金质量是项目的重要应用出口。