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研究作者与机构
本研究由Fangjie You、Xinbao Zhao、Quanzhao Yue、Jiahui Wang、Yuefeng Gu和Ze Zhang共同完成。主要作者来自浙江大学材料科学与工程学院超合金科学与技术研究所，部分作者还隶属于浙江大学硅与先进半导体材料国家重点实验室和浙江大学理工学院。该研究发表于《Journal of Alloys and Compounds》期刊，2024年2月27日在线发布，卷号为985，文章编号为174014。
学术背景
本研究属于材料科学与工程领域，具体涉及铝合金的凝固过程及其力学性能研究。随着服役环境的日益严苛，对合金性能的要求不断提高。开发新的制备工艺以调控合金微观结构并提升性能显得尤为重要。超重力（hypergravity）作为一种外部物理场，能够显著影响凝固过程中的流动、温度和溶质场，从而改变晶体成核和微观结构的演化。尽管已有研究报道了超重力场在合金凝固中的应用，但其对微观结构演化和力学性能的具体影响机制仍需进一步探索。本研究旨在通过实验研究超重力场对Al7050合金凝固结构和力学性能的影响，揭示其微观结构演化机制，并评估超重力场对合金性能的优化潜力。
研究流程
研究流程分为实验设计、样品制备、微观结构表征、力学性能测试和数据分析五个主要步骤。
实验设计
研究选用商用7050铝合金作为研究对象，其化学成分如表1所示。实验通过调整超重力场强度（500 g、1500 g和3000 g）和过热温度（1023 K和1123 K），研究不同参数下Al7050合金的凝固行为。样品在常重力（1 g）和超重力场下进行凝固，冷却速率控制在6–18 K/min。
样品制备
将Al7050合金块研磨清洗后放入内径为24 mm的刚玉坩埚中，加热至不同过热温度并保温10分钟。随后将坩埚转移至离心设备中，旋转至样品冷却至室温。超重力场的强度通过旋转速度调整，计算公式为：
[ g = \sqrt{g^2 + (n^2 \pi^2 r / 900)^2} ]
其中，( g )为重力加速度，( n )为旋转速度，( r )为旋转半径。
微观结构表征
沿超重力方向切割样品纵向截面，研磨抛光后使用Keller试剂（1 ml HF + 1.5 ml HCl + 2.5 ml HNO3 + 95 ml H2O）进行宏观结构表征，通过金相显微镜（Nikon SMZ800N）观察枝晶形貌。微观结构分析使用扫描电子显微镜（FEI Quanta 650）结合能谱分析（EDS）进行成分分析。通过Image-Pro Plus 6.0软件计算平均晶粒尺寸和第二相面积分数。差示扫描量热（DSC）实验使用同步热分析仪（Mettler Toledo TGA/DSC3+）进行，加热速率为10 K/min，扫描温度范围为323–1173 K。
力学性能测试
使用数字显微硬度计（THV-1MDX）测量维氏硬度，载荷为200 gf，保持时间为10秒。压缩实验在室温下使用MTS E45.205测试机进行，加载速率为3 mm/min。压缩试样直径为6 mm，长度为15 mm，沿超重力方向从凝固样品底部提取。
数据分析
通过对比不同超重力场和过热温度下的微观结构和力学性能数据，分析超重力场对Al7050合金凝固行为和力学性能的影响机制。
主要结果
1. 常重力下的凝固结构
在常重力下，随着过热温度的升高，Al7050合金的枝晶尺寸显著增大。1023 K时，α-Al枝晶的主枝较短且粗，平均尺寸为269 μm；1123 K时，枝晶发育良好，尺寸超过500 μm。
超重力下的凝固结构
超重力场下，Al7050合金沿超重力方向呈现显著的微观结构变化。在500 g下，样品核心区域的枝晶趋于等轴化，平均尺寸为181 μm；在1500 g和3000 g下，样品底部出现细小的等轴晶，平均尺寸为110 μm。此外，超重力场下还观察到粗大的柱状枝晶（Type II）和富含第二相的结构（Type IV）。
晶粒细化机制
超重力场下的晶粒细化主要通过“晶雨”（crystal rain）机制和枝晶破碎机制实现。超重力场加速了初生晶体的沉降，同时强对流促进了枝晶破碎，增加了异质成核位点。
柱状枝晶生长机制
超重力场下的高速强制对流将溶质元素（如Zn、Mg和Cu）输送到枝晶尖端，增加了溶质浓度梯度，从而促进了柱状枝晶的生长。
宏观偏析行为
超重力场下，Zn、Mg和Cu元素在样品底部富集，形成宏观偏析。这是由于初生α-Al晶体生长过程中排出的溶质进入液相，在超重力作用下富集于底部。
力学性能
超重力场下凝固的Al7050合金表现出更高的压缩强度和应变。3000 g下，压缩强度和应变分别比1 g下提高了24.3%和47.4%。这种性能提升归因于超重力样品中特殊的分层结构。
结论
本研究通过实验揭示了超重力场对Al7050合金凝固结构和力学性能的影响机制。超重力场显著改变了合金的微观结构，促进了晶粒细化和柱状枝晶生长，同时导致了宏观偏析的形成。这些微观结构的变化进一步优化了合金的力学性能，特别是压缩强度和应变。研究结果为利用超重力场调控合金凝固结构并提升其性能提供了新的思路和方法。
研究亮点
1. 首次系统研究了超重力场对Al7050合金凝固结构和力学性能的影响。
2. 揭示了超重力场下晶粒细化、柱状枝晶生长和宏观偏析的具体机制。
3. 通过实验验证了超重力场对合金力学性能的显著优化作用。
4. 提出了利用超重力场制备高性能合金的新方法，具有重要的科学和应用价值。
这篇研究通过详实的实验数据和深入的理论分析，为材料科学领域提供了新的研究视角和技术路径，具有重要的学术意义和工程应用价值。