Al-Ca合金气动悬浮凝固及气孔原位研究
Aerodynamic Levitation Solidification of Al-Ca Alloy and in Situ Research on Porosity
气动悬浮技术具有无容器凝固、便捷操作以及适用材料广泛等特点,是一种先进材料制备与研究的方法.对于气动悬浮,精确的冷速控制对于研究金属材料中工艺-结构-特性之间的关系非常重要.本文分析了气动悬浮金属样品在凝固过程中的激光能量吸收、热辐射以及对流换热特性,推导出激光功率调控下的冷速控制公式.根据气动悬浮Al-7.7Ca (质量分数%)共晶合金样品的温度-时间曲线,验证了计算与实测结果符合较好.金相观察表明,气动悬浮Al-7.7Ca共晶合金在低冷速下凝固时呈现规则层片共晶形态;随着冷速提高,过冷度增大,晶粒细化,层片间距减小,不规则粒状共晶的体积分数不断增加,证实不规则共晶形成于凝固初期的快速凝固阶段.规则共晶的层片间距与过冷度的关系符合经典的JH理论,说明其形成于再辉后的慢速凝固阶段.另一方面,金属中的气孔通常对其机械性能产生较大的负面影响,然而一定规律分布且形貌规则的气孔则可应用于多孔金属.在材料制备过程中,工艺条件(冷速、过热度等)对金属凝固组织中的气孔形貌、数量有着较大的影响.因此开展对气孔形成过程的深层次实验研究将有助于指导生产应用中的工艺方法.本文中率先使用同步辐射光成像技术原位观察了液态Al-7.7Ca合金中气泡形成、消失的过程,以及凝固阶段的气孔的形成过程.同时,建立了物理模型来研究气泡和气孔形成过程.由模型推导出临界形核半径以及气孔长大速率的方程,计算结果与实验结果符合较好.实验中观察到了两种气孔的生长:柱状气孔以及球状气孔.分析计算了对气孔生长方式的影响因素,结果表明:柱状气孔的生长发生在当气孔生长速率与凝固界面的推移速率相当的条件下;而气孔的生长速率远小于凝固速率时,气孔则按照球状方式生长.
- 作者：
- 张龙
- 学位授予单位：
- 上海交通大学
- 专业名称：
- 材料科学与工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2013年
- 导师姓名：
- 李建国；张曙光
- 中图分类号：
- TG146.21
- 关键词：
- 气动悬浮；铝合金；冷却速率；凝固；组织；气孔；气体溶解；同步辐射
- aerodynamic levitation；aluminum alloy；cooling rate；solidification；microstructure；porosity；gas dissolution；synchrotron radiation
- 基金项目：
- 国家自然科学%上海市科委资助