深过冷Ni-Mo合金中Ni枝晶的快速生长

采用落管技术实现了Ni-39.3%Mo和Ni-45%Mo亚共晶合金与Ni-47.7%Mo共晶合金在不同过冷条件下的无容器快速凝固. Ni-39.3%Mo合金在深过冷条件下形成了初生Ni枝晶和共晶组织. 随着过冷度的增加, Ni枝晶发生组织细化, 枝晶间的间距L_g显著减小. Ni-45%Mo亚共晶合金中的初生Ni枝晶, 随着过冷度的增大由粗大的枝晶向等轴晶转变. 当过冷度小于43 K时, 液滴中形成许多碎断的Ni枝晶. 当过冷度在43~113 K之间时, 凝固时间小于枝晶熔断时间, Ni枝晶不再发生熔断, 形成呈辐射状的粗大枝晶. 当过冷度大于113 K时, 液滴中形成等轴晶, Ni固溶体与NiMo金属间化合物两相分离生长. Ni-47.7%Mo共晶合金凝固组织随着过冷度的增加由层片共晶组织向不规则共晶组织转变. 理论分析表明, 深过冷Ni-39.3%Mo, Ni-45%Mo和Ni-47.7%Mo熔体中, Ni枝晶的生长随着过冷度的变化发生了溶质扩散控制生长向热扩散控制生长的转变, 发生转变所需的过冷度ΔT_ct分别为66.6, 81.9和85.0 K. 随着合金中Ni含量的增高, Ni枝晶的生长发生动力学转变所需的温度T_ct逐渐降低.     

多元Ti-Cu基合金非晶形成过程的分子动力学模拟与落管实验研究

采用DeePMD计算方法和落管快速凝固实验技术,研究了液态Ti_41.5Cu_37.5Ni_7.5Hf₅Sn₅Zr_2.5Si合金的非晶凝固机制.分子动力学计算结果显示,液态合金原子的总第一近邻配位数随系统温度的降低而增加,而Ti原子的第一近邻原子数则随着温度的降低而减少.同时,随着系统温度的降低,液态合金中二十面体和类二十面体团簇的数量显著增多,但中心Ti原子的比例却发生了衰减.在非晶凝固过程中, Ti原子表现出与大尺寸原子的弱亲和性和对二十面体团簇的弱构建性.在自由落体实验中,合金液滴所能达到的过冷度随液滴直径的减小而增大,其凝固组织主要由少量的富Cu相、极细的非规则(Ti₂Cu+TiCu)共晶和非晶相组成.当合金液滴直径减小至566μm时,合金凝固组织中开始出现非晶相,相应的临界过冷度?T_C为312 K (0.27TL).非晶相体积分数随着液滴尺寸的减小而增大.如果合金液滴直径小于317μm,晶体相的形核与生长被完...     

多元合金枝晶生长形态转变及显微偏析的相场法研究

采用多元合金相场模型及耦合真实热力学参数，对Ni-Al-Nb三元单相合金在不同过冷度及不同成分条件下的枝晶生长形态转化及显微偏析进行了研究．结果表明：在成分相同改变过冷度以及过冷度相同改变Nb含量两种条件下，随着无量纲过冷度U（U=△T／△T0，其中△T为过冷度，△T0为结晶温度间隔）的增大，两种条件下均出现枝晶形态由典型枝晶形态向球状晶形态转化，而枝晶显微偏析程度在两种条件下均呈现为先增大后减小的规律．     

对流作用下枝晶生长行为的数值模拟

应用一个二维的改进元胞自动机(modified cellular automaton, MCA)－传输耦合模型, 对流场作用下枝晶的非对称生长行为进行了模拟研究. 模型采用MCA技术模拟枝晶的生长, 同时采用一个传输模型对流场和由对流和扩散所控制的质量传输进行数值求解. MCA考虑了热过冷、成分过冷和曲率过冷对枝晶生长的作用, 也考虑了枝晶的择优生长方向和凝固过程中的溶质再分配. 在传输模型中, 采用SIMPLE算法求解动量和质量传输的控制方程. 应用该模型模拟研究了Al-3% Cu(质量分数)合金中单枝晶和多枝晶在不同流动方向的流体作用下的生长规律. 模拟结果表明, 金属液对流对枝晶的生长形貌产生重要的影响.     

利用落管研究微重力环境对中低熔点合金凝固过程的影响

利用50 m落管对Al-Ni、Al-Cu、Ag-Cu、Al-Pb和Cu-Co等几种合金在真空下自由落体前后的硅油快淬凝固组织进行了对比研究, 分析和讨论了微重力对中低熔点共晶、偏晶和包晶合金凝固过程的影响. 研究结果表明, 微重力对共晶合金共晶胞的生长形貌、晶胞内共晶相的生长形貌及共晶层片间距的影响因合金体系不同而不同; 微重力使Al-Pb过偏晶合金中Pb粒子的尺寸和分布发生重大变化; 微重力还使Cu-Co包晶合金中初生α-Co相的生长形貌发生改变. 此外, 研究还发现Al-Al₃Ni共晶在落管中凝固时呈现出罕见的规则颗粒状共晶形貌. 这些结果对于人们进一步认识和分析微重力条件下复相合金的凝固行为具有参考价值.     

Sm3(Fe,Ti)29Nx/α-Fe双相纳米耦合永磁材料的制备

本文研究了熔体快淬工艺及添加元素Ti对Sm-Fe合金相的形成及结构的影响，成功制备了Sm₃(Fe,Ti)₂₉N_x/α-Fe双相纳米耦合永磁材料。研究发现，快淬薄带由Sm₃(Fe,Ti)29和α-Fe两相组成，晶化前在纳米晶周围存在部分非晶相，晶化后的晶粒间晶界平直光滑、且晶粒间结合紧密没有界面相，为晶粒间直接接触耦合。对甩带后的样品采用750℃保温10min的晶化退火得到的颗粒比较细小且均匀。氮化磁粉磁滞回线的第二象限没有出现明显的台阶，表现为单相永磁材料的特点，说明硬磁相Sm₃(Fe,Ti)₂₉N_x与软磁相a-Fe晶粒之间的交换耦合作用已形成。     

Fe基纳米晶晶化机理的AFM研究

用原子力显微镜(AFM)观测经不同温度退火的Fe基合金薄带(Fe_73.5Cu₁Nb₃Si1_3.5B₉)断口形貌, 结合XRD衍射晶体分析技术和综合他人已有研究结果, 分析了Nb和Cu在Fe基合金薄带退火过程中的作用机制. 提出了包裹晶颗、Nb空位团、Nb-B原子群等新概念, 并利用这些新概念描述了α-Fe(Si)纳米晶形成的机制, 从而建立了Fe基纳米晶合金由分隔相、包裹相和纳米晶相组成的三相互套结构模型.     

基于最大m值法的Ti-23Al-17Nb板材各向异性的超塑性研究

最大m值法是获得高超塑延伸率的有效方法之一.本文采用最大m值法对Ti-23Al-17Nb(at.%)合金在温度为940~1000℃、不同方向的超塑拉伸变形行为进行了研究.结果表明:在垂直轧制方向、1000℃条件下进行超塑拉伸,获得的最高延伸率为2507.4%,是至今该类Ti3Al基合金所报道的文献中的最高值.随着变形温度和变形量的增加,原始长条α_2晶粒重复经历拉长、断裂和球化的过程,这是获得高延伸率的原因之一,也是各向异性始终存在的原因.在一定变形条件下,α_2晶粒尺寸和体积分数较大时更有利于Ti3Al基合金的超塑性.1000℃变形时大应变会诱发O相析出,增加了合金抵抗颈缩的能力,从而获得更高的延伸率.     

旋转磁场对Pb-Sn合金凝固组织的影响

对比研究了常规条件下和旋转磁场条件下Pb-50%Sn, Pb-58%Sn亚共晶合金和Pb-64%Sn, Pb-68%Sn过共晶合金凝固组织的形貌特征, 发现旋转磁场具有消除宏观偏析、碎断和细化枝晶、加快固液界面的溶质扩散速度以及在合金中产生团状组织等作用. 分析认为宏观偏析的消除、枝晶的碎断和细化以及溶质扩散速度的增大主要是由旋转磁场引起的熔体内部复杂流动导致的, 而团状组织的出现主要是由熔体流动引起的浓度场和温度场均匀化导致的.     

定向凝固下共晶合金中相的竞争生长

通过讨论定向凝固下共晶合金中各相的凝固界面温度, 获得了共晶组织凝固的速率区间. 分析了有初生相下不同凝固速率中共晶凝固组织对应的固相成分, 给出了共晶合金出现共晶晕圈组织和同时存在α 相、β 相和(α+β)共晶三者竞争生长的凝固条件. 对Sn-Pb和Al-Si共晶合金的计算结果表明, Sn-Pb共晶合金定向凝固下不存在α相、β相和(α+β)共晶三者同时竞争生长的凝固组织, 也不存在共晶晕圈组织, 但Al-Si共晶合金中这两类组织都有可能存在, 数值计算结果与实验结果基本吻合.     

Fe-Mn-C合金中的C-Mn偏聚及其对相变和形变的影响

采用价电子结构理论计算、微观成分的实验测定和TEM原位动态拉伸变形试验,研究了Fe-Mn-C合金中的C-Mn偏聚及其对相变和形变的影响.结果表明,Fe-8Mn-1.2C合金奥氏体中含C-Mn晶胞的n_A值是不含C晶胞的3.98倍,是含C晶胞的1.40倍;含C-Mn晶胞的n_C~D值是含C晶胞的2.21倍;在Fe-Mn-C合金奥氏体中存在C-Mn原子的微观偏聚,并形成了由-C-Mn-C-Mn-强键络相联结的Fe-Mn-C原子团偏聚区;散乱分布于Fe-Mn-C合金奥氏体中的Fe-Mn-C原子团偏聚区能有效地束缚原子的运动、阻滞滑移系的启动和阻碍位错的运动,强烈影响合金的相交和形变行为.     

气动膜片式多材料微液滴按需喷射技术研究

微滴喷射是通过产生微米级的液滴实现微量流体精确分配的技术之一,是一种不同于传统减法制造的非接触式、数据驱动的加法式制造技术,代表了现代制造工艺新的发展方向.本文提出了可用于多种材料的气动膜片式按需喷射技术并构建了用于在线观测并分析液滴形成过程的基于延时触发的图像在线采集系统.利用该装置,进行了微液滴喷射的一致性分析,研究了设备结构参数及控制参数与液滴大小及喷射速度的关系,并分析了粘度及表面张力对流体喷射过程的影响.此外,制作了直径约为160.5μm的Sn63Pb37焊球和与基底接触面直径约为346.94μm的光固化胶胶滴阵列图型.实验表明,该气动膜片式按需喷射系统结构简单、可靠性好、耐受高温,可用于包括聚合物、低熔点胶材、高熔点金属的多材料微液滴喷射,在微电子和微系统封装、三维打印、有机半导体器件制作以及生命科学与化学分析等制造领域具有较大的发展潜力.     

Si-Mn非调质钢终轧冲击功的理论计算

用合金相最强键上的电子数n_A、合金相界面的最小电子密度差Dρ及使界面电子密度保持连续的原子状态组数σ, 结合热连轧工艺, 计算了Si-Mn非调质钢终轧冲击功α_k. 计算表明, 固溶强化、析出强化、界面强化将引起终轧冲击功α_k的降低. 界面上使电子密度保持连续的原子状态组数σ 对α_k的影响则不同, 以α-Fe和α-Fe-C相界面α-Fe/α-Fe-C上的冲击值与电子密度的连续组数σ₀为参考值, 当某界面的σ＞σ₀时, 该界面产生冲击值的增加, 而σ＜σ₀时, 冲击值将降低. 于是可由终轧后细化了的α-Fe基体冲击值与固溶强化、析出强化、界面强化以及使界面电子密度保持连续的原子状态组数σ 引起冲击值变化计算出终轧冲击功α_k. 计算结果与生产实测值符合较好. 同时也讨论了S对冲击功值的影响.     

反复重熔母合金铸锭对Zr-Al-Ni-Cu-Ag金属玻璃中析出二十面体相稳定性影响

示差扫描量热法(DSC)分析结果表明, 反复重熔母合金铸锭提高了Zr⁶⁵Al^7.5Ni¹⁰Cu^12.5Ag⁵金属玻璃晶化时析出的二十面体相(I-相)的稳定性. 晶化过程的Kissinger分析结果表明I-相析出和其分解的激活能都增大. I-相的稳定性的提高是由于金属玻璃中的短程序尺寸减小和短程序分布的均匀化, 使得合金元素的重组变得更为困难. 短程序尺寸的减小源于反复重熔后母合金铸锭后凝固组织的明显细化.     

微波等离子体增强化学气相沉积方法制备碳氮纳米管及其结构表征

利用微波等离子体增强化学气相沉积方法 ,在多孔二氧化硅基底上制备了大面积取向一致的碳氮纳米管薄膜 .采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和能量散射X射线能谱仪分别进行了纳米管的形貌、结构和成分的研究 .结果表明这种纳米管的直径一般为 10 0nm ,长度可达 2 0 μm ,为纳米钟的线性聚合物 .纳米管的成分中同时均匀含有C ,N两种元素 .进一步的X射线光电子能谱结果证明了C与N之间以成键结合 .这预示着一种新的C1-xNx(x =0 .16± 0 .0 1)相出现在纳米管结构中 .     

固相合金中的C-Me偏聚理论在陶瓷中的应用

氧化锆陶瓷由于性能优异, 已得到了广泛的应用. 氧化锆陶瓷的相变影响其性能, 为控制相变进而控制性能, 相变机理的研究至关重要. 用固体与分子经验电子理论计算了c-ZrO₂、t-ZrO₂和m-ZrO₂的价电子结构, 得到形成它们强键骨架的共价键上的总共价电子对数分别为3.19184、3.45528和3.79625. 按固相合金中的C-Me偏聚理论的思想推测ZrO₂从高温到低温的相变顺序应为液相→c相→t相→m相. 从价电子结构进行的推断与实验结果完全一致, 说明合金相变的电子理论可以扩展到陶瓷材料中.     

晶种诱导长柱状晶生长规律与高韧性氧化铝陶瓷材料

研究了晶种引入和烧结方式对氧化铝长柱状晶粒生长和氧化铝陶瓷断裂韧性的影响. 实验以氢氧化铝为初始原料, 通过湿法球磨把高纯氧化铝磨球的磨屑作为晶种引入到氢氧化铝粉料中, 使氢氧化铝粉在较低温度锻烧转相为α相氧化铝. 研究发现这种转相后的α相氧化铝粉(含有晶种)经热压烧结可获得长柱状晶显微结构, 并且Al₂O₃晶粒形貌随晶种的引入量的不同而发生变化, 而无压烧结Al₂O₃晶粒主要呈等轴状. 具有长柱状α-Al₂O₃晶粒的微观结构可显著提高氧化铝材料的断裂韧性. 在40 MPa热压烧结(1600℃×2 h)的试样, 断裂韧性达到7.10 MPa·m^1/2, 比普通的氧化铝陶瓷断裂韧性提高1倍, 并且抗弯强度也高达630 MPa.     

低合金钢连铸坯的原位统计分布分析研究

采用原位统计分布分析技术研究了不同连铸工艺低合金钢试样的均匀度表征. 以所得到与样品原位置相对应的数以万计原始信号系统解析为基础, 进而获得被测样品的各成分定量统计分布信息. 在成分定量分布图的基础上, 计算了低合金钢连铸试样最大偏析度. 提出了铸坯各原位置成分含量的权重比率方法用以表征材料的均匀度, 并提供了统计分布允许差范围内(C₀±R )所占权重比率(统计均匀度, H )以及权重比率为95%置信度时中位值置信扩展率(统计偏析度, S)两种判断模式, 反映了金属材料较大尺度范围内各化学组成及其形态的定量统计分布规律. 采用上述方法定量地表征了等轴晶发达的试样与柱状晶发达试样之间的差异性.     

金属纳米晶的相稳定性

根据热力学平衡条件, 建立了金属纳米晶的相平衡方程. 应用Fetch和Wagner的界面膨胀模型以及Smith和其合作者建立的普适状态方程, 对纳米晶界面的热力学量进行计算, 由此获得金属高温相可在较低的温度下存在的临界尺寸. 通过对元素Co的β相(fcc结构)和α相(hcp结构)纳米晶Gibbs自由能的计算表明, β相可在室温存在的临界尺寸和纳米晶界面处的过剩体积(ΔV)有关. 当ΔV 取10%时, β相应在35 nm以下稳定存在. 与Katakimi的实验较为符合. 对影响βCo稳定性的因素也作了讨论.     

平板热管多孔毛细芯等效导热系数预测

本文以平板热管多孔结构毛细芯为研究对象,深入分析了毛细芯等效导热系数的影响因素及变化规律.针对多孔毛细芯微观结构随机分布且固相骨架相连的特点,采用扩散受限聚集模型对多孔毛细芯进行三维重构,对受限空间气体热导率进行计算,并采用有限容积法对模型在稳态导热条件下的传热性能进行了数值计算,研究了在孔隙率和颗粒直径对多孔毛细芯等效导热系数的影响规律.研究表明,受限空间内气体导热系数远低于自由空间内的导热系数,标准大气压下仅为0.00986 W/m K;由于尺寸效应的影响,固体导热系数约为块材导热系数的0.9倍;经计算,毛细芯等效导热系数随孔隙率的增大呈减小趋势,且在颗粒直径越小的情况下变化越显著,如颗粒直径为40μm时,孔隙率0.4情况下的气固耦合等效导热系数为12.14 W/m K,约为孔隙率0.7时对应的导热系数(3.89 W/mK)的三倍;颗粒直径对多孔毛细芯导热系数影响显著,小孔隙率下等效导热系数随颗粒直径的增大而减小,大孔隙率情况下趋势相反.孔隙率为0.5的毛细芯等效导热系数与实验测试值偏差为12.1%,文章提出的模型适应性较好.