Al-Bi-(Sn)難混溶合金的液相分離及偏析形成動態(tài)行為.pdf

1、難混溶合金是工業(yè)中重要的結(jié)構(gòu)功能材料，在自潤滑、超導(dǎo)、電接觸、電子封裝用焊球等材料方面具有廣泛的應(yīng)用前景。該類合金凝固時經(jīng)由液相分離極易形成嚴(yán)重偏析甚至分層的組織，對此目前尚缺乏清晰的認識和有效的控制手段。針對難混溶合金偏析結(jié)構(gòu)形成的問題，本文選用Al-Bi難混溶合金，研究了氣動懸浮條件下該合金的液相分離機制及偏析演變過程；并借助同步輻射成像技術(shù)獲得了Al-10 wt.％ Bi難混溶合金凝固過程中的偏析演變?nèi)皥D，分析了第二相液滴的動態(tài)

2、行為及氣泡誘導(dǎo)偏析行為，并探討了它們的動態(tài)行為機制；借助同步輻射小角散射技術(shù)獲得了液相分離初期第二相液滴的形核及其結(jié)構(gòu)信息。在以上研究的基礎(chǔ)上，探討了Al-Bi-Sn核殼型及月食型宏觀偏析結(jié)構(gòu)形成機制。得到了以下主要結(jié)果：
　　1.在氣動懸浮條件下，合金熔體發(fā)生旋轉(zhuǎn)會使得第二相液滴做離心運動。第二相液滴在不同運動模式下的粗化程度可以用方程(此處公式省略)來表示，其中-ro和-r(t)分別為初始時刻及 t時刻時第二相液滴的半徑，N0

3、為最初的液滴數(shù)量，Y為碰撞體積，t為時間。Marangoni運動、Stokes運動以及離心運動隨液滴尺寸變化分階段控制難混溶合金的液相分離過程，在凝固時間允許的情況下，不同成分的Al-Bi難混溶合金都可以形成Al/Bi核殼結(jié)構(gòu)。
　　2.借助同步輻射成像技術(shù)直接觀察到了表面偏析及Soret效應(yīng)發(fā)生在液相分離之前。Soret效應(yīng)使Bi原子大規(guī)模下沉。Marangoni運動先于Stokes效應(yīng)在液相分離過程中起主導(dǎo)作用。在高冷速條件下

4、，Bi液滴的尺寸分布可以用Gaussian方程來描述。而在低冷速條件下的液相分離初期，Bi液滴以 Ostwald熟化方式進行粗化，其尺寸分布符合Lifshitz-Slyozov-Wagner(LSW)擴散控制的分布；隨著液相分離過程的進行，Bi液滴的體積分數(shù)變大，其尺寸分布不再符合LSW擴散控制的分布。并且，在低冷速條件下，Bi液滴數(shù)量隨時間的變化符合logistic種群生長模型。
　　3.同步輻射小角散射實驗結(jié)果表明，Al-10

5、 wt.%Bi難混溶合金的液相分離過程是以富 Bi液滴的形核長大方式開始而不是以調(diào)幅分解機制開始的。并且液相分離過程具有分形特征，產(chǎn)生的富Bi液滴具有分形結(jié)構(gòu)，其分形維數(shù)在2.39~2.56范圍內(nèi)。
　　4.在Al-10 wt.% Bi合金熔體冷卻過程中，采用同步輻射成像技術(shù)捕捉到了氣泡及其誘導(dǎo)偏析動態(tài)行為。熱力學(xué)計算表明，基體熔體中的Bi原子和液相分離過程產(chǎn)生的Bi液滴都會偏析到Al-H界面上以降低系統(tǒng)自由能。但在本論文較低冷速

6、條件下(0.7 K/s)，沒有觀察到Bi液滴向氫氣泡表面運動，這是由于沒有產(chǎn)生顯著的Marangoni運動造成的。偏聚在氣泡表面的Bi原子并沒有改變單個氣泡隨機的生長模式，但會改變其尺寸分布行為，使其既不符合Gaussian分布，也不符合LSW擴散控制的分布。
　　5.在本論文實驗條件下的同步輻射成像結(jié)果表明，在Al-10 wt.% Bi合金凝固后，樣品上部的Bi溶質(zhì)來源于正偏析和第二相液滴的Marangoni運動。
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