電磁分離制備自生梯度材料的相分布與控制.pdf

1、梯度材料(Functionally Graded Materials.FGMs)是指材料成分或微觀組織在幾何空間上呈現(xiàn)連續(xù)梯度變化，克服了材料結(jié)合部位性能不匹配問(wèn)題，而材料不同部位具有顯著不同物理性能，從而使材料滿足特殊使用要求。電磁分離法制備自生梯度材料(Process of in-situ FGMs by electromagnetic separation method)的原理是：由于初生相和合金熔體之間存在導(dǎo)電性差異，電磁場(chǎng)作用

2、下初生顆粒將在熔體內(nèi)有規(guī)律地移動(dòng)，通過(guò)控制初生顆粒運(yùn)動(dòng)速度和合金熔體凝固過(guò)程，使初生相顆粒在熔體中呈現(xiàn)梯度分布，從而獲得初生相顆粒在鑄件中梯度分布的自生梯度材料。電磁分離制各自生梯度材料優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡(jiǎn)單、制備周期短；增強(qiáng)顆粒從基體中原位生成，具有熱力學(xué)穩(wěn)定性。本文對(duì)電磁場(chǎng)作用下顆粒在熔體內(nèi)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)地理論分析，并建立了簡(jiǎn)單易行、操作方便的電磁分離制備梯度材料實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，然后對(duì)電磁分離法制各自生梯度材料中的相分布、工藝參數(shù)影響、制備多層

3、梯度材料以及適用范圍進(jìn)行了深入研究。 根據(jù)電磁分離基本原理，對(duì)穩(wěn)恒電磁場(chǎng)作用下顆粒在熔體內(nèi)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，獲得了包括顆粒形狀系數(shù)、顆粒體積分?jǐn)?shù)和熔體溫度等因素的顆粒穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)速度表達(dá)式。結(jié)果表明，除熔體和顆粒物理性能參數(shù)外，顆粒尺寸、顆粒形狀、電磁力大小、顆粒體積分?jǐn)?shù)以及熔體溫度是決定顆粒穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)速度的主要因素。 理論計(jì)算表明，顆粒在熔體內(nèi)移動(dòng)單位距離所需時(shí)間與電磁力關(guān)系曲線存在一個(gè)電磁力臨界值。當(dāng)電磁力小于臨界值時(shí)

4、，顆粒在熔體內(nèi)移動(dòng)單位距離所需時(shí)間急劇增加。電磁力臨界值隨顆粒直徑增大而減小，對(duì)于直徑在50-110μm的Si顆粒，在720℃的鋁熔體內(nèi)電磁力臨界值在0.5-2.5×10<'4>N／m<'3>范圍之間。 電磁分離方法制備的過(guò)共晶Al-Si和Al-Mg<,2>Si鑄件試樣中，從試樣一端到另一端微觀組織依次為：過(guò)共晶組織—共晶組織—亞共晶組織。在過(guò)共晶組織區(qū)(即初生顆粒聚集區(qū))，初生Si和Mg<,2>Si顆粒容易發(fā)生團(tuán)聚而形成較大的

5、顆粒簇，不利于初生顆粒在顆粒聚集層均勻分散分布。鑄件中添加約4wt％Ti后，熔體在析出Si或Mg<,2>Si之前形成了新相顆粒(A1-Si熔體中形成Al-Si-Ti金屬間化合物，Al-Mg-Sj熔體中形成Al<,3>Ti和Al-Si-Ti金屬間化合物)阻止了初生顆粒發(fā)生團(tuán)聚，使得初生顆粒均勻分散分布，有利于獲得初生顆粒平緩過(guò)渡的梯度材料。在電磁分離制備的Al-Si共晶和亞共晶鑄件試樣中，微觀組織也呈現(xiàn)梯度變化特點(diǎn)。 不同工藝參數(shù)

6、下，電磁分離獲得鑄件試樣中初生顆粒體積分?jǐn)?shù)的分布表明，電磁力大小、液相線溫度以下熔體凝固速率、合金體系以及初生顆粒體積分?jǐn)?shù)總量是決定初生顆粒分布的主要因素。電磁分離制備梯度材料也存在一個(gè)電磁力臨界值，只有當(dāng)電磁力大于臨界值時(shí)才能獲得組織隨空間位置變化的梯度材料，否則不能獲得組織隨空間位置變化的梯度材料。電磁力臨界值可以用顆粒在熔體內(nèi)移動(dòng)單位距離與電磁力的關(guān)系曲線理論預(yù)測(cè)。電磁力增大和熔體凝固速率減慢，使得顆粒聚集區(qū)內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)及其分布

7、梯度增加，電磁力增加也使得初生顆粒尺寸變小。初生顆粒體積分?jǐn)?shù)總量較低時(shí)，顆粒體積分?jǐn)?shù)增加使顆粒聚集區(qū)內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)及其分布梯度增大；當(dāng)初生顆粒體積分?jǐn)?shù)總量達(dá)到一定值后，顆粒體積分?jǐn)?shù)增加使顆粒聚集區(qū)內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)增大，但是其分布梯度減小。 通過(guò)對(duì)Al-Si-Ti合金的成分設(shè)計(jì)，利用電磁分離方法成功制備出含有Al-Si-Ti三元化合物顆粒聚集層、si顆粒聚集層和Al-Si共晶組織層的三層梯度材料。研究表明，電磁分離制備多個(gè)初生顆粒聚

8、集層的梯度材料時(shí)，不僅合金系要滿足不同溫度區(qū)間內(nèi)可以析出兩種或多種初生相的熱力學(xué)條件，而且必須保證每種初生顆粒有充足移動(dòng)時(shí)間能夠聚集成層的動(dòng)力學(xué)條件。 熔體與顆粒導(dǎo)電率比值和顆粒所受到電磁斥力的關(guān)系研究表明，導(dǎo)電率比值ζ=2時(shí)，顆粒受到電磁斥力與等尺寸顆粒受到最大電磁斥力(導(dǎo)電率為0時(shí))的比值為0.4；當(dāng)導(dǎo)電率比值ξ≥10后，顆粒導(dǎo)電性變化對(duì)顆粒受到電磁斥力的影響很小。因此，電磁分離制備自生梯度材料方法適用于廣泛的合金系。利用電