相场法模拟过冷熔体枝晶生长的界面厚度参数的取值

研究了用相场法模拟纯物质过冷熔体枝晶生长过程中,界面厚度的取值对模拟结果可靠性的影响及影响界面厚度取值的因素;然后,在选取合理界面厚度取值的基础上,计算了不同过冷度下纯镍过冷熔体枝晶生长的速度并与实验进行了比较.研究表明:为了获得可靠的计算结果,界面厚度的取值应足够小;合理的界面厚度的取值由过冷度、各向异性、界面动力学、热扩散系数等参数综合决定;在选取合理界面厚度的基础上,模拟结果与实验吻合,证明界面厚度足够小时可获得可靠的模拟结果.为相场法模拟过冷熔体枝晶生长时的界面厚度参数的取值提供了依据.     

DSC法研究Ge熔体的过冷及凝固

将DSC技术与助熔剂(B₂O₃)处理技术相结合, 实现并准确测量了Ge熔体的过冷现象. 利用该方法, 实验得到Ge熔体的最大过冷度为190 K. 在实验冷却速率范围内(5~40 K/min), 冷却速度越大, 过冷度越大. 在冷却速率一定的情况下, 所达到的过冷度随熔体过热度的增大而增大, 并逐步趋向于常数. 研究了过冷Ge熔体的凝固现象, 分析了Ge熔体的非等温结晶过程, 冷却速率越大, 则试样完全结晶所需时间越短.     

Pb-15%Sb过共晶合金的深过冷及快速凝固

采用熔剂净化深过冷和洁净容器快速凝固方法,研究了Pb-15%Sb过共晶合金在不同凝固条件下的组织演变.在熔剂净化条件下,随着凝固过冷度△T的增大,初生相Sb的组织形貌由尖角块状向树枝晶转变并不断细化,Sb的宏观偏析减弱,实验测得的最大过冷度为73K;在洁净容器快速凝固条件下,计算获得的最大过冷度为196.2K,初生相Sb的结晶被完全抑制,凝固组织发生了完全的共生生长,出现了快速凝固超细化组织.     

低过冷度下单相合金凝固组织的细化与重新长大

通过改变试样质量和冷却规范,研究了过冷Cu-30％Ni(原子分数)单相合金在不同凝固时间下的组织转变规律.在实验所选择的几秒到数分的凝固时间内,均于较低的过冷度范围和高过冷度下观察到了粗大树枝晶向细小等轴晶的转变.延长凝固时间,晶粒发生细化的两个过冷度区间扩大.对低过冷度下细化组织进行的考察表明.快速凝固刚结束时,细化晶粒仍具有树枝晶的特征,随缓凝阶段持续时间的延长,晶粒逐步蜕化为球状晶和蠕虫状晶,与此同时,晶粒度以幂函数规律重新增大.过冷熔体快速凝固使初生固相含有过饱和的低熔点组元以及较多的晶体缺陷.最终导致快速凝固结束后形成的细小晶粒在缓凝阶段的重新粗化速度明显快于正常凝固过程中晶体的粗化速度.     

深过冷Ni—Si共晶合金中Ni3Si的生长形态

采用熔融玻璃净化和循环过热相结合的方法，使Ｎｉ－Ｓｉ共晶合金获得了２２４Ｋ的大过冷度，对该合金深过冷快速凝固组织的形成机制和小平面相Ｎｉ３Ｓｉ的生长形态的研究发现，在过冷条件下，共晶组织形成之前，往往会生成组成共晶的两相的初生相，随着过冷度的增大，Ｎｉ３Ｓｉ初生相的生长形态由小平面形态向非小平面形态转变，其转变的临界过冷度约为６０Ｋ。     

熔体预结晶状态对Al-20% Si合金中初生Si相的影响

通过将Al-30%Si高温熔体与已开始结晶的Al-10%Si熔体相混合,并在不同过热条件下凝固,研究过共晶Al-20%Si熔体的预结晶状态对合金凝固组织的影响.结果表明:改变了合金预结晶状态的混合熔体可以获得分布均匀、尺寸小于40μm的初生Si,且过热处理可以进一步细化初生Si相.分析表明,将900℃的Al-30%Si熔体与580℃的Al-10%Si熔体混合可使Al-20%Si混合熔体的温度大幅降低至670℃,远低于两熔体混合前温度的平均值740℃,从而增大了合金液在凝固时的过冷度,细化初生Si相.过热混合熔体时,由于熔体微区仍存在成分和温度的不均匀性,使初生Si尺寸进一步减小.     

金属熔体本征过冷度与熔化熵的耦合关系

利用气动悬浮和熔融玻璃净化法对液态纯铁的过冷能力进行研究, 分别获得了340 和281K 的最大过冷度, 表明在气动悬浮无容器凝固条件下液态纯铁的形核更接近于均质形核.根据经典形核理论和Spaepen 界面能公式, 建立了金属熔体本征过冷度(即均质形核对应的过冷度)与熔化熵之间的耦合关系方程. 并根据该方程预测了一系列金属熔体的本征过冷度, 对比结果表明预测值与实验值具有较好的一致性.     

深过冷Cu-20Wt%Pb亚偏晶合金的凝固行为

采用熔融玻璃净化和循环过热相结合的方法，使Cu-20wt％Pb亚偏晶合金获得了208K的深过冷，在宽过冷范围内研究了Cu-Pb亚偏晶合金的组织演化规律。结果表明，过冷合金熔体初生相为α(Cu)，在0～146K的过冷度范围内，均有两次再辉现象；在183～208K的过冷范围内，只出现一次再辉。当△T≤98K时，合金凝固组织为粗大枝晶α 枝晶间Pb相；当116K△≤T≤146K时，凝固组织已无明显的枝晶形貌，组织由细密α基体 细小的Pb颗粒组成；当△T≥183K时，凝固组织与中等过冷度下的组织相似，只是Pb相更细小，分布更均匀。当△T≥133K时试样出现裂纹。     

过冷度影响海水结冰形状与速度的相场模拟

为了研究船舶结构结冰的微观机理,进行了模拟计算.基于Wheeler相场模型,使用有限差分法,对不同过冷度下海水凝固形状进行模拟.在模拟过程中,将海水视为盐和纯水的二元混合物,通过设置冰物理参数和引入晶核方式保证了冰晶生长的真实性.计算时,设置4个晶核模拟冰晶生长,讨论不同过冷度对冰晶生长的影响.结果表明:冰晶生长速度随过冷度增加而增加,且与过冷度变化呈线性关系.当无量纲过冷度小于0.85时,枝晶仅有少量分枝,且枝干较细.当无量纲过冷度大于0.85时,冰晶出现二级以上的多级分枝,且枝干明显变粗.当无量纲过冷度达到1.0时,分枝受到主枝挤压而减少,晶核之间最终被填满.     

过冷熔体枝晶生长的相场法数值模拟

利用相场法模拟纯物质过冷熔体中的枝晶生长过程,研究各向异性强度、过冷度、扰动等对枝晶生长的影响.结果表明,扰动会促发侧向分枝的形成,但不影响枝晶尖端的稳态生长行为;随着各向异性强度的增大,枝晶尖端生长速度加快,枝晶结构特征愈加明显;过冷度的增加,枝晶尖端稳定性遭到破坏,甚至出现分叉.讨论网格步长对模拟结果的影响,指出在兼顾精度与效率的同时应优先选取粗网格.     

深过冷Fe82B17Si1非规则共晶中Fe2B相的形态演化

在63～342 K过冷度范围内,对Fe82B17Si1合金非规则共晶中Fe2B相的生长形态演化进行了研究.发现:(1)在具有一次再辉的63～164 K及255～342 K过冷度范围内,随过冷度增加Fe2B相由变异的小平面结构逐渐转变为树枝状,进而向具有明显定向特征的树枝状和超细的球状转变,该合金Fe2B相由小平面转变为树枝状的过冷度过渡范围约为63～164 K;(2)在具有两次再辉的174～247 K过冷度范围内,随初生α相含量的增加枝晶间非规则共晶逐渐向离异共晶转变;(3)在63～154K和312～342 K过冷度范围内,该合金非规则共晶中的Fe2B相存在两次粒化现象,这两次粒化对应于不同的非规则共晶形成机制.     

深过冷银熔体热物理性质参数的研究

将差示扫描量热与助熔剂处理相结合,研究了深过冷状态下银的比热及其他相关热物性参数．通过实验获得银熔体在深过冷范围内的比热与温度成线性关系,计算出了深过冷银熔体与对应温度固态之间的焓差、熵差和吉布斯自由能差,分析了深过冷银熔体的热扩散系数和热传导系数随温度的变化关系．     

低过冷度下单相合金凝固组织的细化与重新长大

通过改变试样质量和冷却规范，研究了过冷Cu-30％Ni(原子分数)单相合金在不同凝固时间下的组织转变规律．在实验所选择的几秒到数分的凝固时间内，均于较低的过冷度范围和高过冷度下观察到了粗大树枝晶向细小等轴晶的转变．延长凝固时间，晶粒发生细化的两个过冷度区间扩大．对低过冷度下细化组织进行的考察表明，快速凝固刚结束时，细化晶粒仍具有树枝晶的特征，随缓凝阶段持续时间的延长，晶粒逐步蜕化为球状晶和蠕虫状晶，与此同时，晶粒度以幂函数规律重新增大．过冷熔体快速凝固使初生固相含有过饱和的低熔点组元以及较多的晶体缺陷，最终导致快速凝固结束后形成的细小晶粒在缓凝阶段的重新粗化速度明显快于正常凝固过程中晶体的粗化速度．     

深过冷条件下三元共晶的快速生长

采用熔融玻璃净化方法进行了大体积Ag_42.4Cu_21.6Sb₃₆三元共晶合金的深过冷实验, 获得最大过冷度为114 K(0.16 T_E). 发现在深过冷非平衡条件下三元共晶由ε(Ag₃Sb), (Sb)和θ(Cu₂Sb)三相组成, 而不是平衡相图中预期的(Ag), (Sb)和θ(Cu₂Sb)相. 小过冷条件下, 合金的凝固组织是初生θ相、(ε+θ)和(ε+Sb)二相共晶以及规则(ε+θ+Sb)三元共晶并存的混合形态. 随着过冷度的增大, 初生相和二相共晶逐渐消失, 而且三元共晶发生从规则共晶向不规则共晶的生长形态转变. 当过冷度超过102 K时, 不规则(ε+θ+Sb)三元共晶成为惟一的组织生长形态. 3个共晶相之间发生的竞争形核与生长是出现复杂生长形态的主要原因. 实验与理论计算结果表明, 金属间化合物θ相是领先形核相.     

深过冷金属熔体中单晶形成的临界条件

将形核率和晶体生长速度对过冷金属结晶晶粒数的影响用过冷度统一起来，建立了过冷金属结晶晶粒数随金属热力学过冷度变化的理论关系。结果表明：过冷金属的结晶晶粒数随金属热力学过冷度的增大而减小，过冷度增大到一临界值后，过冷金属的结晶晶粒数减小到１；所得到的在过冷金属熔体中形成单晶的理论判据与有关实验结果完全吻合。     

落管中Al-Ge亚共晶合金的快速枝晶生长

采用落管无容器处理技术研究了Al-45%Ge亚共晶合金在无容器条件下的深过冷与快速枝晶生长.自由落体过程中液滴达到的过冷度范围为13～201K,最大过冷度达0.27T L .发现初生(Al)相的生长形态随着过冷度的增大由柱状枝晶向等轴枝晶转变.根据快速枝晶生长理论对初生(Al)相的枝晶生长速度进行了计算,结果表明初生(Al)相的生长始终受溶质扩散控制,没有发生从溶质扩散控制生长向热扩散控制生长的转变.     

电磁过滤Al-Si合金熔体中初生富铁相去除效率的理论分析

采用柱塞流及轨线模型建立了电磁过滤水平流动Al-Si合金熔体中初生富铁相的去除效率模型,并进行理论分析.结果表明,初生富铁相的去除效率随着熔体流速(u)和过滤器的高度(2h)降低而增加;随着电磁力(f)、电磁力作用区长度(x)和初生富铁相的粒径(dp)的增加而增加.采用电磁过滤可有效去除Al-Si合金熔体中粒径大于30μm的初生富铁相,计算结果与水平流动Al-Si合金熔体的电磁过滤实验结果相吻合.该模型可用来设计过滤器的结构和工艺参数的确定,为电磁去除铝合金中的初生富铁相技术的工业应用提供理论基础.     

电磁过滤A1-Si合金熔体中初生富铁相去除效率的理论分析

采用柱塞流及轨线模型建立了电磁过滤水平流动Al-Si合金熔体中初生富铁相的去除效率模型,并进行理论分析.结果表明,初生富铁相的去除效率随着熔体流速(u)和过滤器的高度(2h)降低而增加;随着电磁力(f)、电磁力作用区长度(x)和初生富铁相的粒径(dp)的增加而增加.采用电磁过滤可有效去除Al-Si合金熔体中粒径大于30 μm的初生富铁相,计算结果与水平流动Al-Si合金熔体的电磁过滤实验结果相吻合.该模型可用来设计过滤器的结构和工艺参数的确定,为电磁去除铝合金中的初生富铁相技术的工业应用提供理论基础.     

PbSnBi熔体液-液结构转变可逆性与凝固行为相关性研究

根据不同成分的PbSnBi三元合金熔体在温度诱导下发生液-液结构转变存在可逆与不可逆的差异,文章分别选取不可逆液-液结构转变的Pb3.82Sn6.18Bi90和可逆液-液结构转变的Pb26Sn42Bi32合金熔体,在不同温度诱导下对其凝固行为及组织进行了研究。结果表明,不可逆液-液结构转变后的Pb3.82Sn6.18Bi90合金熔体的结晶形核率和凝固过冷度较发生转变前增大,且初生相和共晶相组织明显细化;而可逆液-液结构转变的Pb26Sn42Bi32合金熔体对凝固行为及组织的影响不大;文中还就相关作用机理进行了讨论。     

过冷纯熔体中球状晶体生长的稳定性分析

过冷纯熔体中球状晶体生长界面上存在动力学的作用,即界面稳定性也依赖于动力过冷.从Mullins-Sekerka理论出发,修改了Cristini和Lowengrub的动力过冷项,考虑界面上动力过冷的影响,应用渐近分析的理论继续分析过冷纯熔体中球状晶体生长液固界面的稳定性.结果表明,稳定性由扰动波数的大小确定.