In-situ imaging of Al-based alloy solidification under simulated microgravity and geometric confinement

摘要 重力场中凝固组织受熔体对流、溶质分布及铸型几何结构的共同影响。本研究结合空间微重力环境（10-5 g）抑制自然对流的特性，通过自主设计垂直/水平凝固装置，以Al-20wt.%Cu（亚共晶）与Al-20wt.%Ni（过共晶）为研究对象，结合地面同步辐射和微焦点X射线原位成像技术，定量研究重力、模拟微重力与几何结构（渐扩/台阶/圆角过渡）共同作用下的熔体凝固行为。垂直梯度凝固实验表明：无几何特征的亚共晶Al-Cu合金中低密度初生相析出导致高密度Cu溶质沉降，出现显著的轴向偏析，其顶底浓度差扩大近4.5倍（从0.35 wt.%至1.57 wt.%），宏观偏析标准差增加至初始状态的20倍以上。相比之下，过共晶Al-Ni合金中高密度初生Al3Ni相形成凝固骨架，有效抑制了重力偏析，其标准差增加至初始值的1.5倍，证明了宏观偏析被显著抑制。引入几何结构后，Al-Cu合金的偏析行为明显重塑。所有几何样品均在预凝固期形成“中心富Cu-近壁贫Cu”的初始溶质场；随后渐扩结构在其上侧出现局部贫化区，台阶结构则因“拐角涡流”耦合效应诱发了独特的带状负偏析，而圆角过渡通过稳定流场使偏析演化平缓。这一系列差异最终导致中心区域平均Cu含量呈现无几何(22.18 wt.%) > 渐扩(21.29 wt.%) > 台阶 ≈ 圆角(20.70 wt.%) 的排序。而“台阶≈圆角”的相近Cu含量结果源于两种不同的物理路径：圆角稳定全局流场，而台阶重塑局部溶质场。这证实铸型几何通过影响热-流-溶质多场耦合，进而主导宏观偏析形态与幅度。水平凝固（模拟μg，9 °C/mm高温度梯度）下，渐扩结构固液界面倾斜，非渐扩侧生长速率高于渐扩侧；渐扩角度（30°/45°/75°）增大促使柱状晶扇形角扩展，交界处诱发柱状晶-等轴晶转变（CET）；对比重力条件，水平凝固显著促进柱状晶生长。该研究通过分离熔体对流与几何约束的独立作用，理解和利用几何结构影响地面及空间微重力下铝基合金凝固过程，为空间微重力环境下复杂几何约束下的熔体研究提供参考。