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本文是国家重大基础研究发展规划(973)“高性能铝材与铝资源高效利用”中电磁场作用下铝合金凝固的一部分，主要研究电磁场对铝中铁硅杂质相形态与分布的影响。研究内容包括：电磁场对液态Al和固态Fe界面扩散的影响；强磁场作用下Al-Fe合金中Al<,3>Fe相的形态与分布；电磁场作用下二元Al-Fe合金及三元Al-Fe-Si合金凝固组织中金属间化合物的形态与分布。并探讨了电磁场作用下原子的扩散机制，强磁场中Al<,3>Fe相的取向，以及电磁场对AlFe相、AlFeSi相分布规律的作用机制。本研究的主要工作及取得的研究结果如下：
第一次系统地研究了直流磁场和交流磁场对液态Al和固态Fe界面层形貌、厚度、界面化合物层内的金属间化合物类型及Al基体内Fe元素浓度分布的影响规律。结果表明，在无磁场、直流磁场和交流磁场条件下，固态Fe一侧形成锯齿状界面化合物层，该化合物层由Al<,5>Fe<,2>和Al<,3>Fe两相组成。Al基体一侧由α-Al及分布在其晶界处的针状Al<,3>Fe相构成，靠近液态Al和固态Fe界面处α-Al晶粒细小，远离界面处，α-Al晶粒粗大。施加直流或交流磁场后，Al离子在固态Fe中运动的平均速度减小，致使Al离子扩散进入固态Fe内形成的化合物层的厚度变薄。
对输运过程的动力学理论分析表明，直流磁场作用下，粒子流横向扩散系数D减小一个因子1/(1+ω<2><,c>τ<2>)，且直流磁场抑制垂直磁场方向的对流，致使扩散粒子流密度降低。与常规凝固条件相比，直流磁场条件下固态Fe内形成的化合物层中的Al含量及液态Al基体中Fe元素的浓度均减小。交流磁场在熔体中产生二倍于外磁场频率的振荡力，在液态Al中引起强迫对流，致使界面两侧维持很高的浓度梯度。与常规凝固条件相比，交流磁场条件下固态Fe内形成的化合物层中的Al含量及液态Al基体中Fe元素的浓度均增大，且液态Al和固态Fe的界面凹凸不平。
研究了强磁场作用下Al-2.89wt．％Fe合金中Al<,3>Fe相的形态与分布，利用金相分析和X射线衍射方法分析了Al<,3>Fe相在强磁场中的择优取向，考察了冷却速率、磁场强度及高梯度磁场对Al<,3>Fe相分布规律的影响。结果表明，无磁场条件下，初生Al<,3>Fe相受重力作用沉积在试样底部。施加12T强磁场后，初生Al<,3>Fe相所受磁力作用和重力作用相平衡，在整个试样中均匀分布，且沿着易磁化方向[121]发生定向排列。其取向程度不受冷却速率的影响，但随着磁场强度的增大而加强。在高梯度磁场中，初生Al<,3>Fe相所受磁力作用大于重力作用而偏聚在试样的上部，且多个针状初生Al<,3>Fe相结合在一起，形成近似星状聚合体。由于超导强磁场中存在B<,z>和B<,r>两个方向上的分量，会同时抑制垂直磁场方向和沿磁场方向的扩散，且磁场强度越大，对扩散的抑制作用愈明显，初生Al<,3>Fe相越难以长大，因此，随着磁场强度的增加，初生Al<,3>Fe相变得细小。
研究了直流磁场和交流磁场对二元Al-Fe合金中的相组成、形貌及其分布的影响，通过改变Fe元素含量和冷却速率等工艺参数，考察了直流磁场和交流磁场对合金凝固组织的影响。结果表明，对于过共晶Al-2.89wt.％Fe合金，在无磁场、直流磁场和交流磁场条件下，大部分初生Al<,3>Fe相沉积在试样下部。施加直流磁场后，部分初生Al<,3>Fe相异常粗大。施加交流磁场后，初生Al<,3>Fe相变得细碎且向试样中心聚集，呈近金字塔形状分布。对于近共晶Al-1.99wt.％Fe和亚共晶Al-0.90wt.％Fe两种合金，在直流磁场作用下，试样的凝固组织和常规凝固时无明显差别。在交流磁场作用下，Al<,3>Fe相富集在试样中心。减小冷速，Al<,3>Fe相在试样中心富集得更充分。在不同磁场条件下以0.05℃/s和0.01℃/s冷速凝固的过共晶、近共晶和亚共晶三种Al-Fe合金的凝固组织中只包含α-Al和Al<,3>Fe两相。凝固过程中施加磁场改变了合金中Al-Fe相的形态与分布，但没有改变Al-Fe相的类型。
分析了交流磁场对液态金属的作用。在交流磁场作用下，洛仑兹力的无旋部分为沿界面法线方向指向金属内部的作用力。在过共晶Al-2.89wt.％Fe合金中，Al<,3>Fe相比基体Al受到的洛仑兹力大，从而富集在试样中心。同理，在近共晶Al-1.99wt.％Fe和亚共晶Al-0.90wt.％Fe两种合金中，含Fe团簇比基体Al受到的洛仑兹力大，向熔体中心富集，导致熔体中心处的Fe含量增加，从而使近共晶Al-Fe合金中的初生Al<,3>Fe相和亚共晶Al-Fe合金中的共晶All<,3>Fe相的数量在试样中心处增多。
研究了直流磁场和交流磁场对三元Al-Fe-Si合金中的相组成、形貌及其分布的影响，利用相图计算软件(Thermo-Calc)对合金的凝固过程进行模拟计算，分析了合金元素含量对合金凝固组织中金属间化合物类型、数量及其结晶温度的影响。实验结果表明，在三元Al-Fe-Si合金中，Fe/Si比值决定合金凝固过程中发生的反应类型，从而影响合金凝固组织中结晶相的种类、形貌及数量。对于Fe/Si比值为1.2的合金，其凝固组织中的主要含铁相为细长针状的Al<,3>Fe相，还有少量的汉字状α-AlFeSi相；对于Fe/Si比值为0.2的合金，其凝固组织中的主要含铁相为汉字状α-AlFeSi相，同时伴生有少量的针状β-AlFeSi相和颗粒状Si相；对于Fe/Si比值为0.5的合金，其凝固组织中的主要含铁相为细小针状Al<,3>Fe相，还包含有少量的汉字状α-AlFeSi相。在这三种Al-Fe-Si合金中，施加直流磁场后，α-Al枝晶间结晶相在整个试样内部分布均匀，α-Al晶粒形态较规则；施加交流磁场后，α-Al枝晶间结晶相向试样中心富集。这是交流磁场促使合金熔体中含Fe团簇和含Si团簇向试样中心富集所导致的结果。在冷却速率一定的情况下，合金中Fe含量是影响Al-Fe-Si合金凝固组织中金属间化合物总数量的关键因素。