尚闪：面向多元镁合金压力下凝固微观组织实验研究及相场建模

面向多元镁合金压力下凝固微观组织实验研究及相场建模

Experimental Study and Phase-field Modeling on the Microstructure Evolution in Pressurized Solidification for Applications in Multi-component Magnesium Alloys

作       者：尚闪

指导教师：韩志强

培养院系：材料学院

学       科：材料科学与工程

读博感言：读博是一场马拉松，须坚持不懈研究背景/选题意义/研究价值

镁合金是重要的轻量化材料，挤压铸造是制造高性能结构件的先进成形方法，以具有工程应用价值的多元镁合金挤压铸造为应用背景，开展压力下凝固微观组织演化的实验研究及相场建模，对于深入理解压力下凝固机制，预测压力下凝固微观组织，进而指导挤压铸造技术开发具有重要的理论意义和应用价值。主要研究内容

1. 建立了透明合金压力下凝固过程原位观察的实验装置，采用透明合金，通过原位观察实验，系统研究了不同恒压力、周期性“升－降”压力、以及不同压力变化速率对枝晶生长形貌以及生长动力学的影响规律。

2. 建立了纯物质压力下凝固过程枝晶生长的相场模型。

周期性“升-降”压力下，丁二腈枝晶出现周期性“生长-重熔” 现象

3. 发展了三元镁合金压力下凝固的热力学模型，建立了三元镁合金压力下凝固过程枝晶生长的相场模型。

多晶粒生长中，由于压力提高了形核密度，晶粒尺寸降低

4. 采用多元镁合金压力下凝固过程微观组织演化的相场模型，结合挤压铸造实验，以Mg-Al-Sn和Mg-Gd-Y三元系为对象，研究了压力对凝固微观组织形貌以及生长动力学的影响规律。
主要创新点

1. 采用透明合金，通过原位观察实验，首次观察到了压力降低过程中的枝晶重熔现象，获得了枝晶生长速率与枝晶尖端过冷度及压力之间的定量关系，以及生长或熔化加速度与压力速率的关系。

2. 发展了三元镁合金压力下凝固的热力学模型，通过在相场模型中耦合压力下热力学计算，建立了三元镁合金压力下凝固过程枝晶生长的相场模型。

3. 采用多元镁合金压力下凝固过程微观组织演化的相场模型，结合挤压铸造实验，以Mg-Al-Sn和Mg-Gd-Y三元系为对象，研究了压力对凝固微观组织形貌以及生长动力学的影响规律。
代表性创新成果

1. Shang S, Han Z. In situ observation and phase-field simulation on the influence of pressure rate on dendritic growth kinetics in the solidification of succinonitrile[J]. Journal of Materials Science, 2019, 54: 3111-3124. (SCI源刊;EI源刊）

2. Shang S, Han Z Q, Sun W H, Luo A A. A phase field model coupled with pressure-effect-embedded thermodynamic modeling for describing microstructure and microsegregation in pressurized solidification of a ternary magnesium alloy. Computational Materials Science, 2017, 136: 264-270. (SCI收录; EI收录)

3. Shang S, Han Z Q, Luo A A. Phase-field modelling on effect of pressure on growth kinetics of Mg – Al – Sn alloy. Materials Science and Technology, 2018: 1743-2847. (SCI收录; EI收录)

4. Shang S, Han Z Q, Luo A A. Study on the response of dendritic growth to periodic increase–decrease pressure in solidification via in situ observation using succinonitrile. Journal of Crystal Growth, 2018, 498: 85-92. (SCI收录; EI收录)

5、Shang S, Guo Z P, Han Z Q. On the kinetics of dendritic sidebranching: A three dimensional phase field study. Journal of Applied Physics, 2016, 119(16): 164305.(SCI收录; EI收录)

来源： 尚闪 清华大学研究生教育