镁合金凝固过程三维枝晶形貌和生长取向研究进展:三维实验表征和相场模拟

金属学报, 2016, 52(10): 1279-1296. doi: 10.11900/0412.1961.2016.00323

镁合金凝固过程三维枝晶形貌和生长取向研究进展:三维实验表征和相场模拟

1.清华大学材料学院先进成形教育部重点实验室,北京,100084

2.清华大学材料学院先进成形教育部重点实验室,北京,100084

3.北京航空航天大学国际交叉研究中心,北京,100191

4.清华大学材料学院先进成形教育部重点实验室,北京,100084

基金项目: 国家自然科学基金项目51175292和先进成形制造全流程建模与仿真创新平台项目2012ZX04012-011资助 Supported by National Natural Science Foundation of China (No.51175292) and Innovation Platform for Through Process Modeling and Simulation of Advanced Materials Processing Technologies Project (No.2012ZX04012-011)

关键词：镁合金 , 凝固 , 三维枝晶形貌 , 相场模拟 , X射线微观断层扫描

RESEARCH PROGRESS ON 3D DENDRITE MORPHOLOGY AND ORIENTATION SELECTION DURING THE SOLIDIFICATION OF Mg ALLOYS: 3D EXPERIMENTAL CHARACTERIZATION AND PHASE FIELD MODELING

Keywords： Mg alloy , solidification , 3D dendritic morphology , phase-field simulation , X-ray tomography

Mg作为一种典型的hcp结构金属,其枝晶形貌和生长取向受到多种因素的影响,目前针对镁合金中a-Mg枝晶生长模型的描述以及多样性的起源等问题的研究都比较缺乏,基于此,本文综述了本课题组在镁合金凝固微观组织结构三维表征方面取得的研究成果.借助同步辐射X射线微观断层扫描技术以及相场数值模型,研究了镁合金凝固过程中α-Mg (X)枝晶生长选择多样性的形成机理以及固溶合金元素(Al,Ca,Zn和Sn等)、固溶元素含量(溶质浓度)等因素对α-Mg枝晶生长选择和演化的影响.研究结果表明,固溶元素、固溶元素含量等因素都会对镁合金中α-Mg三维枝晶形貌和择优取向产生重要影响.在Mg-Ca和Mg-Al (hcp-fcc)合金中,枝晶倾向于以〈1120〉或〈2245〉为择优方向生长.在Mg-Sn (hcp-bct)合金中,等轴生长的枝晶沿着基面上〈11(2)0〉和偏离基面的〈11(2)X(X≈2)方向形成一种18次分支的结构,在Mg-Zn (hcp-hcp)合金中,a-Mg枝晶的择优取向会随着Zn含量的增加,从〈11(2)0〉方向朝偏离基面的〈11(2)1〉方向发生连续转变,并在转变的过渡区,发现了超支化的藻状枝晶结构,其原因可能是高各向异性Zn元素的引入带来的固/液界面自由能各向异性的变化.研究结果从一定程度上揭示了镁合金凝固过程中a-Mg枝晶生长形貌和分支结构选择多样性的规律.同时基于快速X射线成像技术率先开展了镁合金凝固过程三维微观结构演化原位表征研究,获得了镁合金凝固过程三维枝晶的生长演化过程.

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