通过极低的旋转速率来消除摩擦搅拌焊接的高锌含量Al-Zn-Mg-Cu合金厚板中的过热现象

《Materials Science and Engineering: A》：Eliminating overheating in friction stir welded high Zn-containing Al-Zn-Mg-Cu alloy thick plates by a super low shoulder rotation rate

熔融锆高温氧化行为及微结构演化规律研究。通过实验与多物理场耦合相场模型模拟，揭示氧过饱和度与熔体流动对氧化凝固微结构的影响机制，建立包含传热、传质与流动的相场控制方程，验证模型可准确预测枝晶偏转角与氧分布异质性，提出外场调控氧化凝固的可行方法。

　　
本研究聚焦于熔融锆合金在高温蒸汽环境中的氧化凝固行为及其微观结构演化规律。通过结合高温蒸汽氧化实验与多物理场耦合数值模拟，揭示了熔体流动、热传递与氧扩散协同作用对氧化凝固微观组织形成的动态影响机制。

实验部分采用自建的高温蒸汽氧化反应装置，在1970℃蒸汽环境中对熔融锆合金进行短时氧化实验（≤60秒）。通过纵向切割样品并采用场发射扫描电镜（SEM）结合能谱分析（EDS）技术，观察到氧化凝固过程中特有的不稳定性界面形态演变。实验发现熔体在接触蒸汽环境初期（氧化阶段前30秒）会形成非均匀氧分布的过渡层，随后出现枝晶形貌的氧化凝固结构。值得注意的是，实验中检测到枝晶内部氧含量可达19 at%，而基体区域仅13-15 at%，这种显著的不均匀性源于氧化凝固过程中的溶质再分配效应。

数值模拟方面，研究团队构建了包含相场演化、氧传输、热传导及熔体流动的耦合模型。该模型创新性地将晶体生长动力学与多物理场耦合分析相结合，重点解决了传统相场模型在描述非平衡态氧化凝固过程中存在的局限性。通过引入熔体流动的相场耦合算法，成功模拟了枝晶偏转角与熔体流速的定量关系，模型验证显示其预测的枝晶生长方向与实验观测结果偏差小于5°。

关键研究发现：
1. 氧饱和度调控：熔体初始氧饱和度决定氧化凝固的驱动力强度。当氧饱和度超过临界值（约0.2倍平衡浓度）时，系统会自发形成具有稳定生长前沿的枝晶结构。特别在氧饱和度达0.5倍时，枝晶竞争现象减弱，界面稳定性提升约40%。

2. 熔体流动效应：实验与模拟均证实，熔体流动会显著改变枝晶生长动力学。在0.2 Pa压力梯度下，枝晶平均偏转角可达53.6°，枝晶宽度缩减至0.086 mm，较静止熔体状态分别增加127%和55.3%。流动引起的剪切应力使枝晶尖端曲率半径降低约3倍。

3. 微观结构演化：氧化凝固过程呈现明显的阶段性特征。初始阶段（<30秒）形成不稳定的粗糙界面，随后触发枝晶形核。模拟显示，在氧气扩散深度（约5 μm）范围内，枝晶间会形成氧富集区与氧贫瘠区的周期性分布，这种氧浓度梯度场成为枝晶生长的动态驱动力。

4. 多场耦合机制：热释放率与熔体流动速度存在强耦合关系。当温度梯度超过8 K/cm时，熔体流速增加会导致枝晶生长方向与热流方向形成15°-30°的夹角。模型预测的潜热释放速率与实验测量值误差小于8%，验证了多场耦合模型的可靠性。

5. 氧扩散动力学：通过实验与模拟的对比分析，建立了氧扩散系数与温度、氧分压的关联模型。研究发现，在1900-2100℃范围内，氧扩散系数随温度升高呈现指数增长特性，这与Zr-O相图中液相线斜率变化规律一致。

研究提出的调控方法具有工程应用价值：通过控制熔体氧饱和度（如添加氧载体材料）可使枝晶间距优化至15-20 μm范围，该结构可显著提升熔融锆合金在核反应堆包壳材料中的抗氢脆性能。同时，实验数据表明，在1.0-2.0 Pa压力梯度下，熔体流动可使枝晶偏转角控制在45°-60°，这种定向生长特性有利于构建定向凝固组织，提升材料致密度。

该研究突破性地将晶体生长动力学与流固耦合理论结合，为熔融金属氧化行为的预测与控制提供了新的理论框架。特别在建立多尺度耦合模型方面，通过引入相场变量描述界面演化，结合流函数模拟熔体对流，成功实现了从微观原子扩散到宏观流动场的高精度耦合。这种跨尺度建模方法在高温合金、电子封装材料等领域具有重要推广价值。

后续研究可进一步探索以下方向：
- 开发在线监测模型，实时跟踪熔体氧浓度场演变
- 研究电磁搅拌与机械振动对枝晶生长的综合影响
- 建立多场耦合模型与实验数据的机器学习映射关系
- 探索添加稀土元素对氧扩散动力学及微观组织的调控机制

该成果为核反应堆包壳材料的失效分析提供了新的研究视角，特别是揭示了熔体流动对氧化界面稳定性的关键作用。通过精确控制熔体流动参数（如压力梯度、剪切速率），可有效调控氧化凝固微观组织，这为开发新型抗辐射合金材料开辟了重要途径。