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

基于空间站的Fe-19%Si合金热物理性能与凝固机制实验研究

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

文章介绍：

对于金属材料，其最终性能在很大程度上取决于凝固微观组织的特性。在凝固过程中，微观组织的形态演变一直受到学术研究和工业应用的广泛关注。当前的研究表明，重力引起的对流对微观组织和化学偏析有着重要影响。当重力驱动的现象如沉降、自然对流和静水压力受到抑制时，条件变得有利于研究纯粹由扩散控制的凝固过程。共晶合金中，凝固过程在很大程度上依赖于溶质扩散，因此在微重力实验中，特别是在定向凝固的背景下，成为了研究的重点。在空间定向凝固过程中，由于熔体中质量传输的抑制，共晶间距减小。共晶生长方向倾向于流体流动的下游侧。在空间定向凝固过程中，已经观察到 rod-like 和 lamellar 共晶形态。此外，原本耦合生长的共晶相，在过冷度达到共晶温度TE的18%时，意外地表现出解耦生长模式。因此，微重力对凝固的影响需要进一步研究，尤其是在航天探索的背景下。

Fe-Si合金具有优异的软磁性能，已广泛应用于节能变压器和电动汽车中。作为一种复合物形成系统，它们展现了几种独特的固溶体和金属间化合物相。在Fe-19%Si共晶合金中，顺序固溶体Fe3Si和金属间化合物Fe2Si相源自共晶反应，且两者都表现出良好的铁磁性能。然而，是否通过快速凝固能保留软铁磁Fe2Si金属间化合物相，仍需要进一步的实验研究。微重力对Fe3Si和Fe2Si相微观组织的影响尚未得到探索。此外，准确的热力学性能对于硅钢和铁硅合金生产链具有重要意义。

在本研究中，我们利用中国空间站（CSS）和地面上的静电悬浮（ESL）实验，研究了Fe-19%Si共晶合金的凝固机制。在空间站上测量了热物理性能，以提供基础数据。

中文摘要：
通过中国空间站的静电悬浮技术和地面落塔技术，研究了Fe-19 wt%Si合金的热物理性能和快速凝固机制。所有凝固事件均未促进亚稳态Fe2Si相的保持，也未引起Fe5Si3相的分解。测定的液态密度与温度呈线性下降关系，其中共晶温度下的液态密度为6.19 g·cm−3。表面张力和粘度分别为1.44 N·m−1和29.8 mPa·s。在液态状态下，由于空间环境抑制了凝固过程所需的重力驱动液体流动，空间条件下的收缩比地面条件显著增加。Fe3Si和Fe2Si相在地面实验中仅呈现分离共晶生长模式，而在空间条件下，由于长程溶质迁移的抑制，出现了耦合生长模式。空间条件下Fe3Si相的晶粒尺寸大于地面条件下的晶粒尺寸。