脉冲电流作用下Al-Si合金定向凝固组织演化研究张云虎

论文摘要

脉冲电流对金属凝固组织具有重要影响,可以用来改善金属凝固组织以便提高材料性能。关于脉冲电流作用下非小平面单相合金的晶体生长前人已进行了众多研究,但是对于非小平面/小平面共晶合金的研究较少。因此,本文选择具有典型非小平面/小平面且应用非常广泛的Al-Si合金为研究对象,研究脉冲电流作用下Al-Si亚共晶、共晶和过共晶合金的定向凝固组织的演化规律。结果表明,脉冲电流对Al-Si合金定向凝固组织影响很大。脉冲电流的作用使Al-Si共晶和过共晶合金中复杂规则组织的个数和面积比明显增加。对Al-15.5wt.%Si过共晶合金中复杂规则组织研究表明,未施加电流复杂规则组织面积比在某一拉速存在最大值。深入研究复杂规则组织的生长方式发现,脉冲电流的加入并没有改变这种组织的生长方式。生长方式均是从复杂规则组织的前端不断长出新的层片,而旧的层片则不断从复杂规则组织的后端消失。脉冲电流作用下亚共晶组织演化研究表明,脉冲电流可以显著增大Al-3wt.%Si亚共晶合金晶体生长的稳定性,并减小初生铝的一次枝晶臂间距。脉冲电流作用下Al-20.5wt.%Si过共晶定向凝固组织研究发现,脉冲电流的加入对硅元素的分布有显著的影响。试样中初生硅在刚开始生长阶段出现了严重的富集,其后随着生长长度的增加初生硅的含量又急剧减少,且主要分布在靠近坩埚壁的区域。利用经典的凝固理论和脉冲电流的效应理论分析发现,脉冲电流的热效应和力效应在这些实验现象中起主导作用。脉冲电流的热效应增加了固液界面的温度梯度,从而促进Al-Si亚共晶合金晶体生长的稳定性;由于固液两相导电率不同导致电流偏聚效应而引起的温度差异和温度梯度的升高降低了初生铝的一次枝晶臂间距。脉冲电流力效应引起的强制对流,不仅有助于晶体生长稳定性,而且促使复杂规则组织形成和影响硅元素的分布。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 电流凝固技术的研究历程
• 1.3 电流在金属中的效应
• 1.3.1 热效应
• 1.3.2 力效应
• 1.3.3 电迁移效应
• 1.3.4 趋肤效应
• 1.4 电流对Al-Si 合金普通凝固组织的影响
• 1.4.1 Al-Si 亚共晶合金普通凝固组织
• 1.4.2 Al-Si 共晶合金普通凝固组织
• 1.4.3 Al-Si 过共晶合金普通凝固组织
• 1.5 定向凝固条件下Al-Si 合金的组织形貌
• 1.5.1 Al-Si 亚共晶合金组织形貌
• 1.5.2 Al-Si 共晶合金组织形貌
• 1.5.3 Al-Si 过共晶合金组织形貌
• 1.6 本课题的研究意义及内容
• 第二章 实验方案
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验设备
• 2.2.1 脉冲电流设备
• 2.2.2 定向凝固设备
• 2.2.3 熔炼设备
• 2.3 实验过程
• 2.4 试样分析
• 第三章 脉冲电流作用下Al-Si 共晶及Al-15.5wt.% Si 合金凝固组织
• 3.1 Al-Si 共晶合金定向凝固组织演化
• 3.2 Al-15.5wt.% Si 合金定向凝固组织演化
• 3.3 Al-Si 共晶及Al-15.5wt.% Si 合金组织变化原因分析
• 3.3.1 复杂规则组织的形成机制
• 3.3.2 复杂规则组织变化原因分析
• 3.4 小结
• 第四章 脉冲电流作用下Al-Si 亚共晶合金凝固组织
• 4.1 Al-Si 亚共晶合金定向凝固组织演化
• 4.2 Al-Si 亚共晶合金组织变化原因分析
• 4.2.1 固液界面稳定性增大原因分析
• 4.2.2 一次枝晶臂间距降低原因分析
• 4.3 小结
• 第五章 脉冲电流作用下Al-Si 过共晶合金凝固组织
• 5.1 初生硅的变化
• 5.1.1 初生硅的分布
• 5.1.2 初生硅的形貌
• 5.2 过共晶合金中的复杂规则组织
• 5.3 Al-Si 过共晶合金变化原因分析
• 5.4 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所取得的科研成果
• 作者在攻读学位期间参与的课题
• 致谢