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细晶制造(铸造)科学与工程:理论、应用、发

发布时间:2021-04-28 03:53:46|浏览次数:
 细晶制造(铸造)科学与工程:理论、应用发展
Grain refinement science and engineering: Theories, applications and development
刘峙麟,中南大学副教授,欧盟政府玛丽居里学者
Zhilin Liu, Associate professor (Central South University), Marie Sk?odowska-Curie Fellow (EU)
 
 摘要
     细晶制造(铸造)具有重要科学和工程意义,广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车行业、海洋船舶和基础建设等领域,其关键技术是实现细晶调控工程化。目前极小和极大细晶铸锭尺寸可分别达3µm与1.38m。在细晶调控工程化的机理/理论或高效细化剂方面,研究工作取得了诸多进展。1999年,Easton等学者通过总结理论文献,发现凝固细晶调控主要取决于形核颗粒和偏析元素,并通过Al合金铸造凝固实验得到验证。事实上,1999年以后的细晶调控研究已发展到Al、Mg、Fe、Ti、Cu、Sn、Zn和中/高熵合金等金属构件。最近,Liu首次从铸造金属全域视角对细晶调控机理进行了系统性综述。但是,适用于所有金属细晶调控的共性科学机理/理论尚无完全共识。此外,基于现有理论开发的新型晶粒细化剂效率并不一定都高。因此,当前理论可能忽略了其它未发现的细晶调控影响因素。基于70多年来细晶制造领域科学发展,本文论述了铸造金属细晶调控的共性科学基础与工程实践研究,阐明了当前主流的铸造金属细晶调控理论的异同,揭示了细晶铸造所需细化剂的本征物化条件,并针对极端制造超大规格铝合金铸锭提出了阵列超声细晶制造技术与理论。这将丰富铸造金属细晶调控理论创新,为促进细晶制造工程应用提供一定基础。
关键词: 铸造金属;细晶制造;调控机理;理论综述
Abstract
Due to its scientific and engineering significance, the grain refinement manufacturing is widely applied in the aerospace, railway transportation, automotive, marine vessels, and construction industries. Currently, the minimum and maximum sizes of grain-refined cast ingots achievable are 3µm and 1.38m, respectively. Extensive advances were obtained for theoretical investigation and grain refiners. In 1999, Easton et al. concluded that grain refinement mainly depends on the nucleant particles and segregating solutes, followed by experimental validation in the Al alloys. Actually, work in the grain refinement casting after 1999 has evolved a lot for the Al, Mg, Fe, Ti, Cu, Sn, Zn and the medium- /high-entropy alloys. Recently, Liu systematically reviewed the grain refining mechanisms of all cast metals from general principles. However, there is still no full consensus on such general principles. Moreover, some grain refiners predicted do not necessarily have high efficiency. Thus, some other factors contributing to grain refinement have been ignored. This paper critically addressed the latest grain refinement theories over past 70 years, revealed the intrinsic physical-chemical requirements for efficient grain refiners, and developed the array ultrasonic casting technology and theory for the extreme manufacturing of ultra-large scale Al alloy ingots. It would enrich grain refinement theories of cast metals, and provide fundaments for engineering applications as well.
Keywords: Cast metal; Grain refinement manufacturing; Controlling mechanism;Theoretical review
       
       1.
细晶调控研究发展与现状

       在科学研究和工业生产中,细晶调控已被广泛用于获得均匀分布的等轴(或近等轴)晶粒组织[1, 2]。细晶调控不仅细化显微组织和提升金属铸造性能,而且还改善铸造/锻造金属材料的力学性能(例如延展性和强度)[3]。尽管其他一些技术(例如合金化处理和加工硬化)也可以在一定程度上提高工程合金强度,但通常必须牺牲掉部分韧性和延展性。金属铸造凝固历史可追溯到5000年前(青铜铸造),尺度横跨6µm—1.38m,种类包含Al、Mg、Fe、Ti、Cu、Sn、Pb、Zn和中/高熵合金构件等,然而细晶调控的现代科学理论研究发展仅70余年[4-6]。细晶制造中通常采用动力形核和孕育处理来实现金属细晶化。前者主要通过能场扰动(超声和电磁)、快速冷却和局部对流(机械搅拌),可以产生大量的次生晶核。后者广泛应用于工业生产中,主要通过向金属熔体中添加高效晶粒细化剂。当凝固系统过冷度达到或超过临界值时,从晶粒细化剂释放或原位反应产生的形核颗粒将通过异质形核作用促进晶粒细化[2, 3]
在过去70多年科学理论研究中,细晶制造方面的工作主要聚焦于研究细晶调控机理或开发新型晶粒细化剂。Liu首次从金属/合金全域视角对细晶调控机理进行了系统性地论述[3],并提出了细晶调控工程化学术思想(见图1):探索能场、溶质、颗粒和细晶在铸造凝固中的关联规律、调控方法以及工程实践,理解细晶调控、构筑细晶组织并实现细晶强化。但是,细晶调控机理在学术界仍没有获得完全共识,细晶调控机理最初主要是从Al、Mg、Ti及其合金凝固中发展而来。细晶调控机理具有复杂性,主要原因是:晶粒细化的过程受熔化和铸造条件的影响;杂质总是难以规避;熔体中存在未知的正负互联作用。目前,已经发展了许多细晶调控的理论/模型。简而言之,现有理论/模型大多基于形核粒子和偏析元素。无论提出哪种理论/模型用于揭示细晶调控的机理,都必须回答几个关键问??题,包括:颗粒成为铸造金属形核核心的本征条件,颗粒如何才能被激活成为有效的形核核心,铸造金属晶核如何在被激活的颗粒上形核,何种晶粒细化剂具有较高的细化效率,颗粒/晶核之间晶格错配对形核能力的影响,极端制造大规格铸锭中三维细晶凝固调控方法与机理,溶质偏析、热质对流和冷却速率等在影响固/液界面形态转变以及抑制晶粒长大过程中的作用。
 
       图1.细晶制造(铸造)的共性科学基础与工程实践应用:细晶调控极大极小铸锭的尺度边界;跨尺度细晶调控对构件服役性能的影响;细晶调控工程化学术思想基本内涵。

       2. 铸造的细晶调控基础理论

       主流的细晶调控理论大多从Al和Mg合金中研究所得,大致可以划分为四个学派:包晶体系细化理论、超形核理论、惰性质点形核理论和偏析诱导形核理论等。在与包晶体系有关的理论中,形核过程开始于包晶初相颗粒表面,并通过包晶反应进一步加强。高熔点的包晶初相颗粒通常在包晶反应前原位形成。包晶反应在铸造金属和功能材料中具有广泛应用。基于锑、银和铜合金的铸造凝固,Asato等学者首先定义了包晶反应理论的概念原型。此后,Crossley、Wang和Emley分别用于解释Al-Al3Ti、Al-Al3Zr/Al3Nb与Mg-Zr体系的细晶调控实验。实际上,包晶反应在二元合金凝固中非常普遍,例如Al-Ti、Cu-Co、Zn-Ag、Fe-Ni和Mg-Zr合金系。然而,由于工程中实际凝固冷却速率一般相对较快,包晶反应在细晶铸造过程中可能并未发生。具体理论差异与相关工程应用参见Liu所著综述论文[3]
       Jones在研究完α-Al细晶调控后首先提出了超形核理论。在计算了Ti原子分别在铝熔体TiB2颗粒中活度后,Jones和Person推测:在TiB2颗粒/熔体界面处偏析的Ti原子能在TiB2颗粒上形成Al-Ti伪晶原子层。α-Al晶核可以通过TiB2颗粒/熔体界面处的Al-Ti伪晶层进而完成在TiB2颗粒表面上形核。这种伪晶层能够利用晶格错配位错释放一定的弹性应变能垒。因此,α-Al晶核可以在较小过冷度条件下通过伪晶层实现形核。与此相似,Fan也发展了一种外延形核理论,即形核过程起源于伪晶层在形核颗粒表面的外延生长。Fan的外延形核理论和相关实验验证详见文献[7]。实际上,Fan的外延形核理论与Jones的超形核理论具有本质相似性。
        惰性质点形核理论实质也是通过异质形核促进细晶效果,其异质形核过程起源于“惰性”颗粒表面。与包晶初相颗粒不同,“惰性”形核颗粒不与晶核在形核界面有物化反应。在惰性质点形核理论的众多学派中,硼化物/碳化物理论和晶格匹配理论属于最常见的两种。将惰性硼化物/碳化物作为晶粒细化剂直接添加到金属熔体中便可获得细晶效果。选择这些硼化物/碳化物时主要基于热力学稳定性考虑,而没有充分考虑晶体学影响要素,例如用C2Cl6和C6Cl6精炼Mg-Al合金、用Al4C3和SiC精炼AZ31和AZ61合金。晶格匹配理论学派中最常用的方法是“边-边匹配”模型,该模型从第一性原理预测新型晶粒细化剂,具有较强的工程实践应用性。晶格匹配理论表明:良好的晶格匹配会降低异质形核界面的能量壁垒,进而提高细晶凝固的形核效率。该方法已成功预测出适用于Mg-Al合金的晶粒细化剂(Al2Y、AlN和或富Al / Fe的颗粒),并获得实验验证。另外,Mg-14Li-1Al合金也可以通过引入TiB2和Al3Ti改变晶核/颗粒晶格错配来实现细晶调控。尽管如此,并非所有具有较好晶格错配度的形核颗粒在工程铸造中都会产生高效的细晶组织。
       偏析诱导细晶理论主要基于成份过冷在形核颗粒表面激发的晶核生长。从溶质范式理论到Interdependence理论,大致经历了两个发展时期。溶质范式理论从两方面为理解细晶凝固中的溶质效应提供了新思路:固/液界面处的偏析溶质元素可抑制先前形成晶核生长;当成份过冷区的成份过冷度达到临界形核过冷度时,成份过冷区内预先存在的形核颗粒将被激发,进而促进异质形核和提高形核率。1972年,Jakson已经发现溶质和颗粒对于钢的细晶调控都是必不可少的,却没有具体描述溶质如何影响晶粒的形核与长大。
       1993年,Johnsson首次在铝合金细晶体系中提出了溶质范式理论。之后,Easton和StJohn运用生长抑制因子(Q)模型将该理论进一步发展。Q值定义详见参考文献[2]。根据溶质范式理论,铸态组织晶粒尺寸(d)与1/Q之间满足一定的线性关系。虽然溶质范式理论仅属于一种唯象理论,但其在很多实验合金系中得到验证,例如SiC细化Mg-Al(-Mn)合金、Al-Ti-B细化Al合金、Si/B/Be细化Ti合金、Zr细化纯Mg以及Al细化纯Zn等。在溶质范式基础上,StJohn等人提出了Interdependence细晶理论,阐明了晶粒形成与颗粒选择之间的物理基础,这是近十年来细晶凝固领域内最新的理论突破。假定在合金化学环境中,晶粒形成取决于形核(热力学)与生长(动力学)之间相互依存的协同作用。最终晶粒尺寸主要由三部分决定(详见文献[2]):先前形核晶粒必须生长达到的临界尺寸/距离,以便在固/液界面前沿建立足够的成份过冷度以激发临近下一个晶粒形核; 从固/液界面到满足形核临界过冷度所在点的距离;与位置最近且最有效形核颗粒的额外距离[2]。前两部份代表非形核区,其成份过冷无法激活形核过程。通过控制合金化学成分或生长速率,可以减小非形核区以促进细晶调控。但是,如果不与其他理论相结合,很难运用任何单一理论来解释金属细晶凝固实验结果。

      3. 形核热力学与生长动力学

      3.1. 有效的颗粒/熔体润湿性
      金属熔体与形核颗粒的润湿性影响金属晶粒的形核,主要与物理化学、统计物理学、长程作用力和流体动力学等因素有关[8]。在异质形核中,熔体、颗粒和晶核之间的良好润湿性将催化晶核形成,三者平衡力需满足关系式γnlcosθ + γsn - γsl = 0。θ、γnlγsnγsl 分别表示润湿角、熔体/晶核、晶核/颗粒与熔体/颗粒界面能[3]。如果润湿角太大,则催化效率降低。积极的颗粒/晶核界面反应会产生较小的润湿角[3]。在润湿角接近零的条件下,可能发生强烈的反应和离解,也将抑制形核颗粒的有效寿命。为了减少颗粒和晶核之间的界面能,有益的润湿几何构型需满足γsl > γsn。当颗粒与晶核的原子键合相似性高,可以催化促进凝固形核,因为这种高相似性匹配可降低界面能γsn[9]。通常,金属熔体一般不浸润具有共价键或离子键的形核颗粒[9]。但是,最新报道Mg晶核可以在离子型MgO颗粒上浸润形核[10]
      3.2. 偏析元素生长抑制作用
      由于工程中存在非平衡凝固,铸造过程总是不可避免地引入溶质偏析。Johnsson可能是第一个系统地解释溶质偏析对细晶调控作用的先驱学者,他发现:形核颗粒和偏析元素是细晶制造(铸造)两个核心贡献要素[3]。一方面,偏析元素所诱导成份过冷   可为新形核颗粒提供额外的形核驱动力;另一方面,固/液界面前沿偏析元素可抑制晶粒长大。偏析元素的细晶调控效应可用生长抑制因子(Q)进行半定量化,Q = ,其中mico,iki分别表示液相线斜率、初始元素浓度(假定i种元素)和溶质分配系数。在低溶质浓度常规冷速下,铸态凝固组织主要为柱状晶,主导控制因素为热流梯度。随着溶质浓度的增加,热控制的柱状晶生长逐渐转变为扩散控制的等轴晶生长。溶质含量的进一步增加会减小枝晶尖端曲率半径。如果枝晶尖端半径最终减小到临界值,则毛细作用逐渐占主导地位,然后生长速率增加,将会削弱等轴晶粒的生长[9]。就偏析元素对细晶调控的影响而言,这种现象与Kurz、Fisher和Rappaz的研究结果高度一致。但是,Johnsson并未解释形核颗粒如何被激活成为形核核心。Easton、StJohn、Lee和Tamirisakandala分别开展独立研究工作,阐明了偏析元素对Al、Mg和Ti铸造金属细晶调控的影响机理。
      3.3. 溶质元素与凝固驱动力
      不同溶质元素对凝固的热力学驱动力贡献各异。Wang和Liu等人首次建立了金属凝固热力学驱动力与溶质元素之间的定量化热力学模型,并成功运用于解释微合金化Al合金的晶粒细化机理(见图2)。Wang和Liu等学者研究工作站表明:溶质元素会降低给定凝固过冷度下的热力学驱动力;对于特定的Q值,包晶型元素比共晶型元素更能增加凝固热力学驱动力[11]。分别计算了包晶型溶质元素(Ti、Nb、V和Zr)和共晶型溶质元素(Cu、Mg和Si)对商用纯Al铸造凝固过程的热力学驱动力(ΔG)。与共晶型溶质元素相比,在铝合金中添加包晶型溶质元素不仅具有更高的初始形核率,而且在晶粒生长过程中促进了成份过冷区内的其它形核。该热力学模型可以应用到计算微合金化Mg、Zn、Cu、Fe和多组元合金中不同溶质元素所贡献的凝固热力学驱动力。根据Interdependence晶粒细化理论,只有合适的溶质元素才能产生晶粒细化。通过计算和识别不同溶质元素对金属凝固过程的热力学驱动力,该热力学模型可以指导选择合适的溶质元素,进而产生效率较高的细晶调控效应。
 
       图2.不同溶质元素对铸造凝固热力学驱动力(ΔG)的计算模型;包晶型溶质元素和共晶型溶质元素在给定Q值条件下的ΔG计算值;商用纯Al中不同溶质元素的细晶调控效果。
       3.4. 低能形核界面的晶体学
       常规细晶铸造主要依赖于异质形核,形核界面处的界面能是控制因素。总界面能与很多因素有关,例如颗粒的物化性质、颗粒与晶核之间的静电势以及形核界面上的晶体学匹配。 因此,不能仅用简单的表达式来描述形核界面能,一般采用形核晶体学进行分析。“形核晶体学” — 首先由Qiu、Zhang和Liu等学者在Mg和Zn合金细晶调控研究工作基础上提出,重点研究形颗粒与晶核之间低能量晶格错配在细晶调控中的作用。形核晶体学主要与晶体学特征有关,包括界面结构、晶体学匹配、界面取向和向关系[3]。基体晶核和形核颗粒之间的晶格错配会产生位错,通过弹性应变增加形核能垒。如果晶核/颗粒界面处不存在物化反应,则晶核与颗粒将会稳定地保留各自晶体的点阵结构[10, 12]。如果位错非常小,则晶核与颗粒的晶格便能通过金属键实现低晶格错配。反之,弹性应变将在形核过程中施加额外的能量壁垒。因此,晶核与颗粒之间的低晶格错配可以改善形核过程。Glicksman和Childs的研究工作揭示:晶格错配会影响催化形核,并且金属颗粒比非金属颗粒更有效。同样,Skaland对球墨铸铁的研究表明:形核能力取决于晶核与颗粒之间的晶格错配程度。Marcantonio等人发现形核过冷度随着晶格错配的增加而增加。Bramfitt系统地研究了过冷条件下铁熔体如何在氮化物和碳化物上形核,亦表明形核能力主要与晶核/颗粒之间的晶格错配度有关。在许多其他金属凝固体系研究中,发现形核似乎具有一定单向性,从A相到B相的晶格错配度比从B相与A相的晶格错配度更大或更小。很多研究工作均表明晶体学匹配影响细晶制造中的凝固形核。目前,实际工程中主要运用三种几何晶体学模型来计算量化晶格错配度和预测新型晶粒细化剂,包括:Turnbull线性错配模型、Bramfitt面/面错配模型和Zhang边/边匹配模型等。基于这些晶体学匹配理论模型,许多新型晶粒细化剂被理论预测和实验验证[3, 11, 13]
        3.5. 效形核颗粒几何特征
       Maxwell和Hellawell发展的模型成功地解释了包晶系铝合金的细晶调控机理。然而,并非所有熔体中的形核颗粒在实际应用中均可被激活。这主要归因于周围晶粒生长过程中释放的结晶潜热,以及形核颗粒不合适的本征几何特征,将抵消驱动其它晶粒形核生长的热力学与动力学贡献。高效形核颗粒的几何特征通常包括形态、尺寸、尺寸分布。关于形核颗粒尺寸对细晶调控的影响,Greer、Qian和Qiu等学者分别在Al/X、Mg/Zr和Mg/Al2Y细晶体系中发现最佳尺寸为3 ~ 5、1 ~ 5和6 ~ 6.5 µm。此外,有充分的研究文献表明:直接贡献铝合金与镁合金细晶凝固的有效形核颗粒仅占总形核颗粒的1% ~ 2%。尽管金属熔体中的形核颗粒数量增加,该百分比几乎保持恒定为1% ~ 2%。即使增加冷却速率,该百分比也只能最多提高到4%。由Greer等人发展的自由生长模型较好地解释了此问题,?Tfg = 4σ / ?Sv d?Tfgσ?Svd分别表示自由生长所需过冷度、晶核/熔体界面能、熔合熵变与形核颗粒尺寸。然而,这一点可能尚存争议,最近报道某些纳米颗粒(5 ~ 20 nm)也能成为形核核心。当纳米数量级尺寸代入Greer自由生长模型时,?Tfg可能比常规情况增加好几个数量级,然而常规工程实践中金属熔体内很难获得如此大的过冷度。另外,Lazaridis等学者研究了非均匀形貌颗粒对形核率的影响,发现采用传统均匀模型所计算的形核率实际上小了几个数量级。目前,在Al、Mg、Zn基细晶体系中,发现形核颗粒形貌呈多样化(例如:平面状、盘状、针状、球状以及枝晶状等),但大部分高效形核颗粒成平面状。

       4. 极端制造工程中细晶凝固

       凝固技术在冶金、材料和物理领域研究广泛。随着工业发展需求,细晶调控也在极端制造领域发挥重要作用,例如极小尺寸、大规格和超大规格金属铸锭铸造技术。直径1米级以上的大规格高强2219铝铜合金铸锭是制造10米级火箭环形结构件的基础胚料,其极端制造过程中细晶调控工艺面临四个技术挑战。技术挑战①:大规格Al-Cu合金铸锭的大尺寸空间效应明显,内部温度梯度和热应力大,气孔过多,缩孔疏松严重,铸锭容易开裂;技术挑战②:Al-Cu合金铸造熔体中Al、Cu、Mn、Fe元素容易形成Al7Cu2Fe等杂质相和部分氧化膜,污染铸锭成分;技术挑战③:铸态2219铝铜合金的主要组织晶粒粗大,树枝晶较多,三维空间内分布均匀性差;技术挑战④:主要合金元素在铸锭整个大尺寸横断面分布差异大,宏/微观偏析比较明显,缺乏操作性较强的改善方法。这些技术难点将增加大规格构件三维内部性能离散超差,弱化大规格高强铝铜合金材料的综合力学性能,不利于构件极端制造可靠性和安全服役性。针对此类细晶调控工程化问题,在钟掘院士和李晓谦教授指导下,中南大学刘峙麟提出了“阵列超声细晶制造超大规格铝合金铸锭技术与理论”(见图3)。
 
       图2.阵列超声细晶制造超大规格铝合金铸锭技术与理论:阵列超声波空间作用边界与最优布控法;阵列超声对大规格铝锭的凝固调控机理;关键执行元件空化腐蚀机理与防护方法;细晶调控后三维空间内铸锭的晶粒尺寸和网状共晶皆减小。
基于前期实验探索研究的四阶阵列超声波铸造技术,在大规格高强铝铜合金铸锭凝固过程中引入阵列耦合超声波,其构造原理及最优化流程如图3所示。四阶阵列超声波的空间逻辑布控方式有多种,逻辑布控能够扩展单个超声波在“熔体凝固三维空域”内的作用范围,进一步利用非线性协同效应来调控铸锭凝固过程。项目团队选择了其中实践性较强的四种方式进行研究,四种布控方式如图2中N1、N2、N3、N4所示。对N1、N2、N3、N4这四种布控方式分别建模仿真,求解超声空化效应和声流效应的三维作用边界,获得了四阶阵列超声波耦合传导的本征三维声强分布、空化区域、声能密度、温度场分布等,进而确定了最优超声波布控方式。这些研究工作回答了科学问题①:阵列超声波在大规格“金属熔体凝固三维空间”内的声场变化特性,所诱导的非线性空化区域的作用边界,以及对关键执行部件辐射杆的工作寿命影响。科学问题①属于“阵列超声波协同铸造技术”的基础物理原理内容,解决该问题认识到了:阵列超声波在大规格金属凝固过程中的基本传播规律;该技术所能制造铸锭的极限尺寸;延长关键执行部件辐射杆使用寿命的补偿方案,进而扩展该技术为形成超大规格铸造技术做了预研工作。
四阶阵列超声波在金属熔体中的作用边界和协同效应是大规格阵列超声波铸造技术的基础,决定了阵列超声波所能铸造的铸锭极限尺寸和铸锭质量。基于最优布控方式制作“阵列超声波协同发生器布控平台”,利用布控平台分别针对N1、N2、N3、N4四种布控方式进行铸造实验,实验验证最优布控方式的合理性[6]。研究团队利用特种铸造装备制造了大规格2219铝合金圆柱形铸锭。圆柱形2219铝合金铸锭直径和长度分别为1250mm与3300mm。表征了大规格铸锭不同位置横截面上的微观组织演化,定量测定了铸锭心部到边部的Cu元素宏观偏析,仿真了铸造前后铝熔体中温度场分布与变化,提出了大规格铝合金凝固中树枝晶与等轴晶游离与Cu元素宏观偏析的关联性[12]。实验还研究了高能超声场对大规格铝合金铸锭凝固过程中的过冷度与形核率的影响,超声场能增大熔池过冷度并减小形核过冷度。这些研究工作回答了关键科学问题②:在大规格高强铝铜合金铸造凝固过程中,阵列超声波协同效应对α-Al基体、CuAl2网状共晶、富Fe杂质相等结晶组织演化的作用规律,以及对主要合金元素Cu的宏/微观偏析影响。科学问题②属于“大规格2219高强铝铜合金铸锭”的基础凝固原理内容,解决该问题认识到了:阵列超声场下大规格铝铜合金主要组织的生长演化机理;铸锭最终性能与宏/微观组织之间的关系;用阵列超声波制造高性能大规格铝铜合金工艺的优化方法。通过关键执行部件辐射杆,铸造系统持续发射的阵列超声波进入铝铜合金熔体后,入射与反射的超声波均被限制在熔体所能填充的“凝固三维空间”内。在液态熔体、固液糊状区、固态铸锭内反射与折射的耦合超声波将会叠加,这些叠加的阵列超声波形成驻波和行波的混合波后共同作用于熔体,并进一步调控大规格铸锭凝固过程。然而,关键执行部件在铸造过程中会出现空化腐蚀,严重影响其服役寿命和铸造效率。因此,研究工作还针对辐射杆在铸造过程中的空化腐蚀行为进行了研究,为寻找提高辐射杆服役寿命的方法提供理论基础。

       5. 结论和将来研究方向
       基于以上理论综述,可以获得一些通用准则来开发适用于铸造金属/合金的有效晶粒细化剂(或中间合金)。在金属凝固过程中,晶粒形核之前需获得足量的有效形核颗粒。除了与金属晶核具有晶体学关系外,此类形核颗粒还应保持平面形态、合适的尺寸与尺寸分布。一般,包晶初相可作为一个可行选择。中间合金应该含有具备高生长抑制因子Q值的溶质元素。今后,铸造金属细晶调控研究可聚焦涉及晶粒形核热力学与生长动力学的基础问题。(1)液态金属原子如何在形核颗粒特定晶面上吸附和堆垛;偏析溶质原子如何影响形核界面处的晶体学匹配;以及如何有效地调控形核颗粒的尺寸与尺寸分布。分别研究Al、Mg、Fe、Ti、Cu、Sn、Zn、Sb和中/高熵合金等金属细晶凝固,在全域视角下建立适用于所有金属材料细晶调控的共性科学机理,为开发新型晶粒细化剂提供理论基础。(2)目前,生长抑制因子(Q值)主要用于二元合金细晶体系,例如Al、Mg、Ti和Zn的二元合金。然而,计算含有多元溶质元素合金体系的Q值仍然是一个挑战,可开发新的Q值热力学计算模型。(3)针对常规与极端制造的细晶凝固行为,定量化计算不同溶质元素对细晶调控中热力学驱动力的影响规律,并确定共晶型和包晶型溶质元素对热力学驱动力影响的差异性。(4)为了准确描述三维熔体环境下细晶调控过程中晶粒的形核和长大,可将成份过冷驱动形核模型引入相场法等仿真中,并利用X射线同步加速器或中子衍射开展原位实验研究。(5)从热力学角度,计算在成份过冷驱动形核条件下形核颗粒的最佳几何尺寸范围。通过控制合金化学环境,可以改变尺寸范围以强化有效形核颗粒上的异质形核,进而促进细晶调控。针对此类问题开展研究时,建模仿真应适当考虑生长速度、溶质扩散、界面能、融合熵和生长抑制因子。(6)大规格铸锭在工业生产中不可或缺,然而相关凝固细晶调控的文献稀少。大规格铸件三维空间组织离散超差性严重,应加强研究相应细晶调控的科学基础与工程应用,比如采用强细化剂、阵列超声场、高能电磁场、强机械搅拌和快速冷却相结合的协同细晶制造方法。

参考文献

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[13] M.X. Zhang, P.M. Kelly, M.A. Easton, J.A. Taylor: Acta Mater., 2005, vol. 53, pp. 1427-1438.
 
 
通信作者:刘峙麟,1986.10,中南大学副教授,欧盟政府玛丽居里学者;研究方向:构件细晶制造及其微纳力学;地址:湖南长沙中南大学中铝科技大楼A315室;项目名称:细化剂与超声快凝驱动下医用锌合金的细晶原理及控性机理研究,项目编号51975592;大规格高强铝铜合金阵列超声波协同铸造的作用边界和调控机理,项目编号51605496。

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