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复合材料

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镁合金中纳米颗粒对枝晶生长的作用

导读: 轻质合金中添加纳米颗粒能够提高材料的力学性能,得到了研究者的广泛关注。轻质合金具有非常高的应用前景,而合金的力学性能很大程度上决定了材料的应用广度和深度。

轻质合金中添加纳米颗粒能够提高材料的力学性能,得到了研究者的广泛关注。轻质合金具有非常高的应用前景,而合金的力学性能很大程度上决定了材料的应用广度和深度。目前常用的纳米颗粒有SiC,Al2O3,TiB2,Y2O3和AlN等。这些纳米颗粒对合金的显微结构和性能具有显著影响。但是其具体的作用机制还不明确。本文采用高能同步辐射X射线3D原位表征手段,揭示了纳米颗粒对凝固过程中的枝晶生长速率和枝晶形貌转变的影响,通过定量化的分析阐明了SiC纳米颗粒对镁合金晶粒的细化机理,即:促进晶粒形核和抑制枝晶生长。

成果简介

近日,英国曼彻斯特大学的Peter D. Lee和中国大连理工大学的郭恩宇(通讯作者)等人研究发现,熔体加工过程是一个有效的、制备金属基纳米复合材料的方法。但是,目前对纳米颗粒如何影响凝固过程中的显微结构演变的研究还不明确。本文研究了Mg-25Zn-7Al (wt.%)合金中,SiC纳米颗粒对α-Mg枝晶生长的影响。本文采用同步辐射X射线4D(三维+时间)方法,研究了不同冷却条件下,含有和不含有纳米颗粒的合金的凝固过程,并对凝固过程中枝晶的主要特征进行了定量化分析,包括:晶粒的微观形貌、尺寸分布和枝晶尖端的生长速率。为获得较高质量的图像数据,研究中采用了一种较新的数据重建和图片处理方法。研究结果表明,纳米颗粒的添加有助于晶粒的形核,抑制枝晶生长,并改变初生枝晶的生长形貌。LGK模型计算结果表明,凝固过程中的枝晶形貌变化与纳米颗粒抑制枝晶尖端Zn的有效扩散有关,从而降低枝晶尖端生长速率。本研究提供的随时间演变的动态实验数据为后续在金属基复合材料(MMNC)中开展晶粒生长模拟研究提供了可靠的验证数据。相关成果以“The influence of nanoparticles on dendritic grain growth in Mg alloys”为题发表在Acta Materialia上。

图文导读

图1 不同数据重构方法得到的结果图

镁合金中纳米颗粒对枝晶生长的作用

(a)传统FBP方法重构图;

(b)MBIR方法重构图;

(c)是(b)中框区域的MBIR-TV算法图;

(d)是(b)中框区域的MBIR-TV-LLT图.

图2 样品纵截面处的凝固枝晶形貌演化结果

镁合金中纳米颗粒对枝晶生长的作用

(a-d,i-l)未添加纳米颗粒Mg-25Zn-7Al合金的枝晶生长演化结果;

(e-h,m-p)添加纳米颗粒Mg-25Zn-7Al合金的枝晶生长演化结果.

图3 不同冷却条件和纳米颗粒添加条件下的三维枝晶生长演化结果

镁合金中纳米颗粒对枝晶生长的作用

(a-c,g-i)未添加纳米颗粒Mg-25Zn-7Al合金的3D枝晶演化结果;

(d-f,j-l)添加纳米颗粒Mg-25Zn-7Al合金的3D枝晶演化结果.

图4 添加/未添加纳米颗粒的镁合金中晶粒的尺寸分布与演变结果

镁合金中纳米颗粒对枝晶生长的作用

(a)3℃/min;

(b)12℃/min.

图5 镁合金凝固过程中单个枝晶的3D演变图

镁合金中纳米颗粒对枝晶生长的作用

(a-d,i-l)未添加纳米颗粒的单个枝晶3D演变图;

(e-h,m-p)添加纳米颗粒的单个枝晶3D演变图。

(备注:a-h为3℃/min;i-p为12℃/min)

图6 不同成分、凝固条件下典型枝晶的紧实度演变曲线

镁合金中纳米颗粒对枝晶生长的作用

不同成分、凝固条件下典型枝晶的紧实度演变曲线.

图7 不同成分、凝固条件下枝晶的生长速率

镁合金中纳米颗粒对枝晶生长的作用

(a)枝晶的定量生长速率图;

(b)是(a)中三角区域的放大图。

图8 纳米颗粒团簇对枝晶生长影响的示意图

镁合金中纳米颗粒对枝晶生长的作用

(a)纳米颗粒团簇对枝晶生长影响的示意图;

(b)是(a)中放大图,表明Zn原子的扩散路径由于固液界面的纳米颗粒阻碍而变长。

小结

本文采用同步辐射X射线原位3D成像的方法,研究了Mg-25?wt.%Zn-7wt. %Al 合金中,SiC纳米颗粒对晶粒形核和枝晶生长的作用。研究发现,纳米颗粒的添加减小晶粒尺寸;SiC纳米颗粒减小晶粒尺寸的主要机制:(1)增加异质形核;(2)纳米颗粒降低熔体中Zn的扩散,从而降低枝晶的生长速率。其中,纳米颗粒带来的异质形核作用以及超声熔体处理技术的结合,增加了孔洞/氧化物的数量和体积分数,从而增加了晶粒异质形核点的密度。

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