静磁场复合直流电流作用下Al-Zn合金凝固时的相迁移研究

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电迁移技术是当今非常有效的一种金属净化手段,却由于其自身存在的种种缺陷:能量消耗大、环境污染、效率较低等,而始终只能用于少量材料的制备。因而改善及强化电迁移技术成为了材料工作者致力研究的目标。 本文以Al-Zn合金中的析出的导电相α-Al相为对象,成功实现了平行磁场复合直流电场作用下,过共晶Al-Zn合金凝固时导电初晶相α-Al相的定向迁移;同时采用直流电流复合平行强磁场,也实现了过共晶Al-Zn合金中导电初晶相α-Al相的定向迁移。考察研究了磁场作用下的电迁移这一全新的金属净化技术,并且通过改变磁感应强度、电流密度、外场作用时间等不同因素考察了磁场作用下的电迁移过程,同时还将该技术与HGMS技术进行复合作用后的效果进行了初步的探索研究。本文还将区域熔炼与磁场下电致相迁移技术相结合,研究了区域熔炼复合磁场下电致相迁移条件下Al-Zn合金中α-Al相的迁移行为。同时本文作者还采用物理模拟方法,用可视化手段证实电流经过相颗粒时,由于导电率差异导致电流线弯曲,进而与平行磁场作用在颗粒前沿和尾部产生涡流,且颗粒前后涡流强度存在差异,形成“龙卷风”效应而导致颗粒向阴极迁移的新机理。本文主要得到了以下的主要结论: (1)在本文的实验条件下,当电迁移体系与稳衡磁场相复合后,Al-Zn合金中α-Al相可以在低电流密度(10A/cm<'2>)条件下发生相颗粒的迁移,而该电流密度远小于常规电迁移所需的最小电流密度(10<'3>~10<'5>~A/cm<'2>),迁移方向与电流方向相同; (2)在一定的电流密度下,α-Al相的偏移率随着磁感应强度的增大而增大;而磁感应强度一定时,α-Al相的偏移率随着电流强度的增大而增大,当电流强度增加到一定量时,其偏移率的增幅则开始趋缓; (3)电场复合磁场后的相迁移是以有限的速度发生的,随着电场和磁场作用时间的延长,相迁移的效果会更加显著; (4)磁场复合平行的电场后,CuSO<,4>溶液中的绝缘塑料小球和导电铜球颗粒都朝电极一端定向运动; (5)区域熔炼复合电迁移可以使得α-Al相向阴极定向迁移更加明显,且α-Al相的偏移率随着所施加电流密度的增大而增大; (6)同样在本文的实验中,当梯度磁场复合了平行的直流电场后,Al-Zn合金中所有α-Al相颗粒均可以发生明显迁移,所需的最低电流密度仅为10<'0>。A/cm<'2>: (7)在一定的磁场梯度下,α-Al相的偏移率随着电流密度的增大而增大,但当电流密度增大到一定值时,再增大电流密度,α-Al相的迁移率增缓; (8)电子在接近相颗粒时运动轨迹会发生改弯曲,在相颗粒的前后端弯曲的程度不同,于是在磁场作用下相颗粒的前后端产生洛仑兹力,相颗粒两端熔体便会形成涡流;由于相颗粒的前后端涡流的强度不同,使得相颗粒朝压强低的一端定向迁移。 综上所述,本文结果表明,通过将电迁移体系与磁场复合作用,可以将金属熔体中的导电相颗粒驱动迁移。利用这一现象,可能通过控制凝固条件,对合金熔体中的杂质以相的形式将其去除,由于杂质包含在相颗粒中,其迁移速度比单纯的原子扩散迁移速度要快得多,因此效率可以大幅提高,有望实现金属中导电和非导电夹杂物的快速分离,从而为纯净金属的制备提出了一种崭新的机理和实现途径。同时这样的复合形式也将有利于把HGMS技术应用于金属材料的净化领域。因此本文结果对于高纯金属,特别是稀有金属材料的高效净化具有重要的借鉴意义。
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