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Space station based experimental research on thermophysical properties and solidification mechanisms of Fe-19%Si alloy

基于空間站的Fe-19%Si合金熱物理性能與凝固機制實驗研究

作者信息：

L. Hu, W.J. Xie, Z.X. Wan, Q.C. Zhong, Y.H. Jing, H.P. Wang

School of Physical Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi'an, 710072, China

https://doi.org/10.1016/j.revmat.2025.100005

文章介紹：

對于金屬材料，其最終性能在很大程度上取決于凝固微觀組織的特性。在凝固過程中，微觀組織的形態演變一直受到學術研究和工業應用的廣泛關注。當前的研究表明，重力引起的對流對微觀組織和化學偏析有著重要影響。當重力驅動的現象如沉降、自然對流和靜水壓力受到抑制時，條件變得有利于研究純粹由擴散控制的凝固過程。共晶合金中，凝固過程在很大程度上依賴于溶質擴散，因此在微重力實驗中，特別是在定向凝固的背景下，成為了研究的重點。在空間定向凝固過程中，由于熔體中質量傳輸的抑制，共晶間距減小。共晶生長方向傾向于流體流動的下游側。在空間定向凝固過程中，已經觀察到 rod-like 和 lamellar 共晶形態。此外，原本耦合生長的共晶相，在過冷度達到共晶溫度TE的18%時，意外地表現出解耦生長模式。因此，微重力對凝固的影響需要進一步研究，尤其是在航天探索的背景下。

Fe-Si合金具有優異的軟磁性能，已廣泛應用于節能變壓器和電動汽車中。作為一種復合物形成系統，它們展現了幾種獨特的固溶體和金屬間化合物相。在Fe-19%Si共晶合金中，順序固溶體Fe3Si和金屬間化合物Fe2Si相源自共晶反應，且兩者都表現出良好的鐵磁性能。然而，是否通過快速凝固能保留軟鐵磁Fe2Si金屬間化合物相，仍需要進一步的實驗研究。微重力對Fe3Si和Fe2Si相微觀組織的影響尚未得到探索。此外，準確的熱力學性能對于硅鋼和鐵硅合金生產鏈具有重要意義。

在本研究中，我們利用中國空間站（CSS）和地面上的靜電懸浮（ESL）實驗，研究了Fe-19%Si共晶合金的凝固機制。在空間站上測量了熱物理性能，以提供基礎數據。

中文摘要：
通過中國空間站的靜電懸浮技術和地面落塔技術，研究了Fe-19 wt%Si合金的熱物理性能和快速凝固機制。所有凝固事件均未促進亞穩態Fe2Si相的保持，也未引起Fe5Si3相的分解。測定的液態密度與溫度呈線性下降關系，其中共晶溫度下的液態密度為6.19 g·cm−3。表面張力和粘度分別為1.44 N·m−1和29.8 mPa·s。在液態狀態下，由于空間環境抑制了凝固過程所需的重力驅動液體流動，空間條件下的收縮比地面條件顯著增加。Fe3Si和Fe2Si相在地面實驗中僅呈現分離共晶生長模式，而在空間條件下，由于長程溶質遷移的抑制，出現了耦合生長模式。空間條件下Fe3Si相的晶粒尺寸大于地面條件下的晶粒尺寸。