高频声场作用下Pb-Sb过共晶合金凝固过程研究

研究了15 kHz高频声场作用下Pb-16%Sb过共晶合金的凝固过程, 发现高频声场促进晶体形核从而减小了合金熔体的过冷度. 理论分析表明, 超声空化效应和熔体受迫振动是降低合金过冷能力的主要因素. 对比不同声强下的凝固组织发现, 随着声强的升高, 初生(Sb)相的宏观偏析逐渐被抑制, 并且其生长方式从小平面相生长转变为类似粗糙界面的分枝生长, 同时Pb-Sb二元共晶组织明显粗化, 当声强超过1.6 W/cm²时, 共晶生长形态由层片共晶转变为不规则共晶. 高频声场还改变了凝固界面前沿的溶质分布规律, 使得初生(Sb)相中的Pb含量随声强的升高而逐渐减小.     

三元Al-Cu-Si共晶合金的深过冷与快速凝固

在常规凝固条件下, 液态铝合金由于容易氧化而难以达到深过冷状态. 本文采用熔融玻璃净化法并结合循环过热实现了液态Al_80.4Cu_13.6Si₆三元共晶合金的深过冷和快速凝固, 研究了实验过程中一定冷却速率下合金熔体过热度与过冷度的相关规律, 获得的最大过冷度为147 K (0.18T_E). 不同过冷条件下三元共晶均由α(Al)固溶体、(Si)半导体相和θ(CuAl₂)金属间化合物三相构成. (Al+Si+θ)三元共晶中, (Si)小平面相独立生长, 非小平面相(Al)和θ相以层片方式协同生长. 在小过冷条件下, 只有(Al)固溶体作为领先相形成. 当过冷度超过约73 K时, (Si)相能够领先形核并生长为初生相. 小过冷时合金的凝固组织由初生(Al)枝晶、(Al+θ)二相共晶和(Al+Si+θ)三元共晶组成; 大过冷时则主要由初生(Si)块、(Al+θ)二相共晶和(Al+Si+θ)三元共晶组成. 随着过冷度的增大, 凝固组织中初生(Al)枝晶的体积分数减小而初生(Si)块的体积分数增大.     

落管中Cu-Sb合金的深过冷与快速枝晶生长

采用落管方法实现了Cu-20%Sb亚共晶合金在无容器条件下的快速凝固。随着液滴直径的减小，过冷度逐渐增大，初生Cu枝晶发生组织细化。实验中获得了207K的过冷度，最大过冷度达到0．17TL.理论分析表明，由于这合金具有较宽的凝固温度间隔，初生Cu枝晶的快速生长始终受溶质 扩散控制，根据对Cu-Sb合金相图中T0线的计算，揭示出发生偏析凝固的临界过冷度为△T0=474K。在最大过冷度207K时，初生Cu相的生长速度达到37mm/s，发生了显著的溶质截留效应.     

落管中Ag60Sb34Cu6三元合金的快速凝固机制

采用落管无容器处理技术实现了直径为60~800 mm的Ag₆₀Sb₃₄Cu₆三元合金液滴的快速凝固, 对其凝固机理进行了理论探索. 随着液滴尺寸的减小, 冷却速率从57 K/s增大至5.8×10⁴ K/s, 最大过冷度达180 K(0.23T_L), 初生ε(Ag₃Sb)枝晶发生了显著细化, 直至形成均匀的等轴晶. 实验结果表明, 深过冷条件使得(ε+ Ag)二相共晶在小液滴中难以生成, 同时初生e相中Ag的固溶度随液滴过冷度的增大显著增大. 根据差热分析与晶体生长形态, 提出了合金液滴在不同过冷度下的两种凝固方式.     

Fe-7.5%Mo-16.5%Si三元包共晶合金的凝固组织与相组成

采用差示扫描热分析方法和落管无容器处理技术研究了Fe-7.5%Mo-16.5%Si 三元包共晶合金的凝固过程. 初生相R被确定为Fe₅Mo₃Si₂, 包共晶相为τ₁(Fe₅MoSi₄) 和Fe₃Si相. 实验结果表明, 当液滴直径大于400 μm时, 凝固组织由残余初生相、包共晶相和三相共晶组成; 当液滴直径小于400 μm时, 三相共晶生长被抑制.     

声悬浮和强激光耦合作用下三元Al-Cu-Si 合金的快速凝固

在声悬浮和强激光加热相结合的条件下, 实现了三元Al-27%Cu-5.3%Si 合金的无容器快速凝固, 最大过冷度达到195 K (0.24 TL), 冷却速率为76 K/s. 金相分析表明, 凝固组织由(Al+θ+Si)三元共晶和(Al+ θ)二相共晶组成. 在声悬浮条件下, (Al+θ+Si)三元共晶显著细化,(Al+θ)二相共晶的组织形态丰富. 在试样表层区域, 表面振荡促进3 个共晶相的大量形核, 声流有效提高了凝固过程的冷却速率, 三元共晶的晶粒尺寸显著减小. 随着合金试样温度的升高,悬浮间距和谐振间距均不断增大, 且悬浮间距总是大于谐振间距. 在声辐射压的作用下, 试样变形为中心内凹的饼状, 变形程度随声压的提高而不断增大, 最大半径比为6.64, 对应最大悬浮声压为1.8×10⁴ Pa.     

声悬浮和强激光耦合作用下三元Al-Cu-Si合金的快速凝固

在声悬浮和强激光加热相结合的条件下,实现了三元Al-27%Cu-5.3%Si合金的无容器快速凝固,最大过冷度达到195K(0.24TL),冷却速率为76K/s.金相分析表明,凝固组织由(Al+θ+Si)三元共晶和(Al+θ)二相共晶组成.在声悬浮条件下,(Al+θ+Si)三元共晶显著细化,(Al+θ)二相共晶的组织形态丰富.在试样表层区域,表面振荡促进3个共晶相的大量形核,声流有效提高了凝固过程的冷却速率,三元共晶的晶粒尺寸显著减小.随着合金试样温度的升高,悬浮间距和谐振间距均不断增大,且悬浮间距总是大于谐振间距.在声辐射压的作用下,试样变形为中心内凹的饼状,变形程度随声压的提高而不断增大,最大半径比为6.64,对应最大悬浮声压为1.8×104Pa.     

快速凝固Co-Sn合金的组织形态与电学特性

采用单辊实验技术研究了 Co-Sn 二元合金的急冷快速凝固行为, 并通过将金属熔体热传导方程和Navier-Stokes方程相耦合, 理论计算了液态合金的冷却速率. 实验发现, Co-20%Sn亚共晶合金的初生αCo 相的生长形态对冷速变化十分敏感, 低冷速下在合金条带中部会形成一定厚度的柱状αCo 枝晶区. 随着冷速的增大, 柱状晶区减小并逐渐趋于消失, 凝固组织以均匀细小的αCo等轴晶和分布于其间的γCo₃Sn 相为特征. Co-34.2%Sn共晶合金形成了全部的不规则共晶组织. 随着冷速的增大, 一方面两种合金组织明显细化, 均匀性显著提高; 另一方面晶体缺陷数量增多, 对自由电子的散射作用增强, 从而导致电阻率的显著增大. 晶界散射系数r→1, 可使用M-S模型对快速凝固Co-Sn合金的电导特性进行理论计算.     

旋转磁场强度和频率对Pb-Sn合金凝固组织的影响

研究了Pb-45%Sn亚共晶和Pb-85%Sn过共晶合金在旋转磁场作用下的凝固组织, 发现旋转磁场使得初生相的生长形貌由原来的枝晶形态变为椭球状, 具有碎断和细化作用. 碎断和细化的程度随磁场强度的增大而加强, 但是, 当磁场强度高达一定值时, 初生相的晶粒尺寸反而变大, 磁场强度在碎断和细化凝固组织时存在最佳值. 此外, 旋转频率的高低影响磁场在熔体中的作用距离, 进一步影响熔体温度场和溶质场的均匀化. 合适的旋转频率和磁场强度是凝固组织细化和均匀化的关键因素. 磁场的引入, 影响了液固体系的热力学函数, 导致临界晶胚的吉布斯自由能和原子的扩散激活能的降低, 提高了形核率.     

Cu-Ge包晶合金中ζ相的形成规律研究

在Cu-14%Ge, Cu-15%Ge, Cu-18.5%Ge及Cu-22%Ge合金的深过冷实验中研究了z相的的快速生长, 四种合金分别获得202 K(0.17T_L), 245 K(0.20T_L), 223 K(0.20T_L)及176 K(0.17T_L)最大过冷度. 随合金中Ge含量的增大, 小过冷样品的凝固组织发生“α(Cu)枝晶+包晶相ζ→包晶相ζ→ζ枝晶+(e+ζ)二元共晶”的转变. 大过冷样品的凝固组织则发生“碎断α枝晶+包晶相ζ→包晶相ζ→ζ枝晶+ε相”的转变. 对包晶相ζ中Ge含量进行X射线电子能谱分析, 证实深过冷扩展了α枝晶的固溶能力, 从而使ζ相中Ge含量随过冷度的增大而减小. 由包晶相ζ组成的Cu-18.5%Ge合金中由于深过冷抑制了ζ相在晶粒交汇处的成分扩展, ζ相的Ge含量随过冷度的增大而增大.     

半固态镁合金流变凝固方式及凝固组织

利用光学显微镜、扫描电子显微镜及能谱仪观察分析了压缩形变AZ91D合金半固态等温处理后的流变凝固组织及凝固方式. 结果表明, 半固态合金凝固过程中, 当原始固相晶粒较多时, 初晶α相的生长以依附生长方式为主; 当浆料中液相相对较多时, 初晶α相以树枝晶方式生长; 半固态共晶转变时, 既存在离异生长方式, 也存在共生生长方式, 主要取决于初晶α的生长方式; 纯共晶成分液相凝固时主要以共生生长的层片状方式进行; 晶内小液池凝固时, α相以依附生长方式生长, 共晶转变以离异共晶加少量棒状方式生长.     

Cu-Ni单相合金的深过冷定向凝固过程研究

利用过冷度的遗传性 ,提出将合金熔体深过冷与传统定向凝固相结合的深过冷定向凝固 (SDS)技术 ,并在自制的实验装置上 ,对SDS技术进行了探索性研究 ,实现了Cu Ni合金的深过冷定向凝固 .结果表明 :( 1 )SDS技术获得的定向生长组织与LMC (GL=2 5K/mm ,V =5 0 0μm/s)法相当 ,且一次枝晶间距约为 30 μm ,二次分枝被抑制 ,一次枝晶主干挺直、细密 ,与试样轴向偏差约为 5 .8°;( 2 )建立了描述SDS过程过冷度与凝固速率之间的数学模型 ,即T T模型 ,利用此模型可以解释SDS试样上微观组织的演化情况     

自由落体条件下的快速偏晶凝固

采用落管方法实现了Ni-31.4%Pb偏晶合金在微重力和无容器条件下的深过冷和快速凝固. 理论计算表明液滴下落过程中获得的过冷度与其直径呈指数函数关系, 实验中获得了241 K(0.15 T_m)的最大过冷度. 发现随过冷度的增大, 偏晶胞组织在整个试样中的体积分数增大, 且L₂(Pb)相显著细化. 对L₂(Pb)相和α-Ni相的形核率进行了理论计算, 结果表明偏晶转变过程中L₂(Pb)相总是领先形核相.     

声悬浮条件下Bi-Ga过偏晶合金的液相分离

采用声悬浮方法实现了Bi-58.5%Ga(原子分数)过偏晶合金的无容器熔化和凝固. 在常规慢速冷却条件下, 由于重力作用, 合金发生严重的宏观偏析, 第二相(Ga)呈明显向上的Stokes运动特征. 而在声悬浮条件下, 合金中第二相(Ga)基本呈均匀弥散分布, Stokes上升运动受到明显抑制. 分析表明, 偏晶合金熔体在声悬浮场中受声场的作用上下振荡, 这可以使第二相液滴周围产生微观定常流场. 这种流场形成的压力能够影响第二相液滴的形状, 从而减小第二相液滴向上的Stokes运动速度.     

四元Ni基合金中的快速枝晶生长

采用熔融玻璃净化法与电磁悬浮无容器处理技术实现了Ni-10%Cu-10%Fe-10%Co四元合金的深过冷与快速凝固, 实验获得样品最大过冷度为276 K(0.16T_L). 差示扫描量热(DSC)分析与X射线衍射(XRD)分析表明, 所有凝固样品的组织均为α-Ni单相固溶体. 随着过冷度的增大, 合金显微组织由枝晶转变为等轴晶, 并显著细化. 深过冷条件下溶质截留效应增强, 微观偏析程度减小. 对不同过冷度下的枝晶生长速度进行了实验测定, 结果表明V和ΔT 之间存在指数函数关系: V=8×10^−2ΔT^1.2. Cu, Fe, Co三种溶质元素的引入显著提高了合金枝晶生长速度.     

无铅焊料Sn-Ag中金属间化合物Ag3Sn的异常长大

通过高温时效方法模拟分析Sn-3.5%Ag共晶焊料高温服役过程中金属间化合物Ag₃Sn的演化规律. 利用光学显微镜和扫描电子显微镜观察时效前后焊料显微组织演化过程, 通过高精度差热分析方法获得不同状态下焊料之间的焓变. 结果表明, 水冷铸态焊料中弥散分布的第二相Ag3Sn纳米颗粒较高的自由能使其处于热力学亚稳态, 高温时效时在初生富Sn相晶界扩散推移作用下, 第二相Ag3Sn纳米颗粒快速合并长大, 形成大块金属间化合物.     

液态三元Ni-Cu-Pb偏晶合金相分离的相场模拟

采用亚规则溶液模型对液态三元(Ni_xCu_100-x)₅₀Pb₅₀偏晶合金相分离的演化过程进行了相场计算. 结果表明, 如果不考虑表面偏析势作用, 随液体流动性增强, 相分离后组织形态由弥散向双连续组织转变. 引入表面偏析势后发现(Pb)相优先占据表层, (Ni,Cu)相依附其形核并生长. 随相分离时间延长, (Pb)相在表层粗化和生长, 偏析层厚度逐渐增加. 同时, (Ni,Cu)相向中心迁移和聚集, 合金熔体形成两层壳核组织. 对液体浓度场计算发现, 表面浓度起伏比体相大, 并以波的形式向内部传播, 最终表面(Pb)相和内部(Ni,Cu)相的成分保持稳定. 此外, 对液体的流场计算发现, 在相分离初期界面附近流场较强, 后期显著减弱. 表面偏析是影响合金熔体表面层形成、浓度分布、流场分布和液体宏观相分离的重要因素.     

共晶Al71.6Ge28.4合金液-固结构相关性

利用高温液态X射线衍射仪研究了共晶Al_71.6Ge_28.4合金熔体的液态结构及其液固相关性. 研究表明, 对Al_71.6Ge_28.4合金熔体而言, 在1150~550℃的温度范围内, 熔体原子团簇结构没有变化, 有序度随温度降低而提高; 进一步通过纳米晶粒模型分析指出, 该熔体是由72.8%α相原子团簇和27.2%β相原子团簇组成, 但其液态结构和固态结构存在较大的差异. 同时对该合金在凝固时容易产生过冷状态的原因进行了探讨.     

低熔点难溶杂质对nf-f共晶凝固机制的影响

晶体的非小晶面(nf),小晶面(f)形成规律是结晶学研究领域的重要内容.由于结晶机制直接影响着材料的组织性能,因此能否实现小晶面生长向非小晶面生长转变一直是人们所关注的问题.现已发现,当熔体的过冷度足够大时可以导致晶体的小晶面-非小晶面转变.其它因素引起的这种转变尚未见过可靠的报道,本文发现低熔点难溶杂质可以引起非小晶面-小晶面共晶合金中小晶面相的生长机制发生改变.