合金凝固列状晶/等轴晶转变

在考虑合金组元局部线性叠加的基础上, 结合计算相图, 对多元合金凝固枝晶列状/等轴生长特性进行了系统的研究. 通过考虑枝晶生长界面前沿的形核生长及竞争, 发展了一个适用于多元合金凝固列状晶/等轴晶转变的理论模型, 其与实验结果能很好的吻合.     

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.     

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.     

非平衡凝固理论的发展

近年来,非平衡凝固技术迅速发展,但相应的工艺设计仍主要依赖于经验或半定量理论,无法满足当前材料加工过程控制的苛刻要求.经典凝固理论的建立基于诸多假设,如相图的线性液/固相线假设、合金热力学性质的理想稀溶液假设及体系动力学过程的局域平衡假设,其研究对象为模型合金而非实际浓溶液、多元合金等;经典与现实的差距迫切需要突破经典假设的束缚以更好地发挥凝固理论在工艺设计中的指导作用.本文针对单相固溶体合金,介绍了近年来松弛经典假设后凝固理论的发展.阐述了基于理想稀溶液假设的二元合金微观尺度界面动力学、界面稳定性、枝晶生长,以及耦合微观与宏观的全转变动力学理论的发展,阐明了非线性液/固相线的重要作用.针对二元、多元浓溶液合金,介绍了界面动力学、界面稳定性和枝晶生长理论的发展,阐述了组元间互作用的重要性.当前凝固理论发展摒弃了诸多经典假设,缩短了理论研究与实际工业生产的差距,拓宽了凝固理论的应用范围,更准确地描述了非平衡凝固过程,促进了非平衡凝固理论在工业生产中的应用.     

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.     

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.     

基于纳米粒子的超声速流动成像

由于超声速流动受到可压缩性、激波、不稳定性以及湍流等因素的影响, 现有流动显示与成像技术在流场结构的高时空分辨率和高信噪比测量中存在一定的问题. 为此, 本文提出了基于纳米粒子的平面激光散射技术（NPLS）, 该技术以纳米粒子作为示踪粒子, 以脉冲平面激光作为光源, 通过CCD记录流场中的粒子图像实现超声速流动的高分辨率成像. 根据多相流体动力学理论和斜激波校准实验研究了纳米粒子在超声速流动中的跟随性问题. 根据光散射理论深入分析了影响纳米粒子散射光强的各种因素. 理论和实验研究结果表明, 纳米粒子的动力学行为和光散射特性大大提高了NPLS技术的时空分辨率和信噪比, 能够再现激波、膨胀波、马赫盘、边界层、滑移线和混合层共存的精细流场结构.     

基于等离子体X射线多通道弯晶谱仪的设计与研究

为诊断0.165～0.775 nm和0.014～0.165 nm范围的软硬X射线,研制了一台多通道(四个反射通道和一个透射通道)柱面晶体谱仪.利用光电检测单元获得了由Qz、LiF和Ge制成的多种不同晶体取向弯晶衍射等离子X射线谱相.谱仪采用离线标定和在线复位技术,可降低由于光源不准引起的光谱偏差,已应用在激光装置的诊断实验上,达到了惯性约束核聚变(ICF)实验要求.     

同步辐射光源的科技发展及科学影响分析——以欧洲同步辐射光源为例

作为当前世界上数量最多的一类公共平台型重大科技基础设施,同步辐射光源的建设部署和升级改良受到各国的广泛关注,基于同步辐射的科学研究活动进入快速发展阶段。本文以欧洲同步辐射光源(ESRF)为例,使用文献计量方法从科学产出趋势、研究主题变化、优势研究单元、国际合作、产研合作以及重大科技突破等方面分析同步辐射光源对科技发展的支撑和影响。研究结果表明,在科学的前瞻性部署下,ESRF的科研产出不断提高,为凝聚态物理、材料、生命科学等众多学科领域研究提供有力的支撑;促进结构生物学等新兴交叉学科的形成和分化;在国际合作和产业技术研发中发挥纽带和平台的作用;同时也在一些科学领域的应用中面临着来自于冷冻电镜等新兴实验技术变革的挑战。     

先进材料与高性能零件快速凝固激光加工研究进展

金属材料快速凝固激光表面加工与高性能金属零件快速凝固激光成形技术,是材料科学与工程及先进制造技术交叉学科前沿热点研究领域之一.本文介绍了作者所在实验室近年来在先进高温耐磨耐蚀金属间化合物多功能涂层新材料快速凝固激光熔覆合成/制备技术、钛合金及高温合金等高性能金属零件快速凝固激光成形技术等领域的研究进展,主要内容包括:激光熔覆高温耐磨耐蚀多功能金属间化合物涂层、钛合金及高温合金高性能零部件激光快速成形、难熔高活性金属材料及定向生长柱状晶钛合金激光约束熔铸成形技术等.     

非均质材料凝固过程分析——理论和实验

分析了两相非均质材料（如闭孔泡沫金属）的凝固过程,给出了可以精确预测非均质材料凝固界面位置以及凝固所需时间的解析解。用蒸馏水作为连续介质,采用试验及数值模拟分别对泡沫金属的凝固过程以及单个孔周围的材料凝固行为进行了研究,结果与理论预测吻合良好。在此基础上,定量分析了孔隙率、孔的形状（如三角形、五边形、圆形孔）等对凝固过程的影响,确定了多孔介质等效热传导系数理论中的孔形状因子。     

自由落体条件下快速偏晶凝固

在落管自由落体条件下实现了Fe-48.8 % Sn 偏晶、Fe-40 % Sn 亚偏晶和Fe-58 % Sn 过偏晶合金的快速凝固. 对于直径范围在100 ~ 1000 μm 的Fe-48.8%Sn, Fe-40% Sn 和Fe-58% Sn 合金液滴, 最大过冷度分别为270, 282 和288 K. 液滴直径较小时, Fe-48.8% Sn 偏晶合金的微观结构呈现出均匀弥散分布的组织,当液滴中分散相直径为6 μm, 过冷度为30 K 时, Marangoni 迁移速率比Stokes运动速率快37 倍. 对于Fe-40% Sn 亚偏晶, 当液滴直径从1000 减小为100 μm时,其生长形态从柱状α-Fe 枝晶分布在富Sn 相基底上转变为α-Fe 颗粒分布在富Sn相基底上, α-Fe 枝晶的生长速度从0.45 增大到4.65 m/s. 对于Fe-58.8% Sn 过偏晶合金, 初生相α-Fe 枝晶的晶粒尺寸随过冷度的增加显著减小.     

晶体生长过程中的浮力对流现象研究

将实时相移Mach—Zehnder干涉技术与成像技术相结合，应用计算机技术、图象处理技术完成对NaClO3晶体的实时诊断，实时观测了NaClO3晶体溶解和结晶过程，得到了该过程的溶解条纹和生长条纹，反演计算出该过程的浓度场分布，同时分析了晶体生长过程中由重力引起的浮力对流现象，实验证明了这种对流现象直接影响着晶体各个晶面的生长速率．     

先进材料与高性能零件陕速凝固激光加工研究进展

金属材料快速凝固激光表面加工与高性能金属零件快速凝固激光成形技术，是材料科学与工程及先进制造技术交叉学科前沿热点研究领域之一。本文介绍了作者所在实验室近年来在先进高温耐磨耐蚀金属间化合物多功能涂层新材料快速凝固激光熔覆合成／制备技术、钛合金及高温合金等高性能金属零件快速凝固激光成形技术等领域的研究进展，主要内容包括：激光熔覆高温耐磨耐蚀多功能金属间化合物涂层、钛合金及高温合金高性能零部件激光快速成形、难熔高活性金属材料及定向生长柱状晶钛合金激光约束熔铸成形技术等。     

单个微米级SnAgCu金属微滴的大冷速快速热分析研究

利用最新开发的快速热分析技术,对Sn-3.0Ag-0.5Cu（wt%）合金微米尺度单个微滴的凝固过冷度进行了研究.该技术可以实现对单个金属微滴的高速加热和冷却处理,其加热或冷却速率可达到1×10^2～1×10^4K/s.由于单个金属凝固微滴在不同加热和冷却过程中始终保持为球状,基本上保证了颗粒的几何形状的稳定性,使得同一实验条件下微滴尺寸的影响因素可以剔除,初步解决了长期以来困扰快速凝固领域金属微滴凝固尺寸和冷却速率2个因素相互影响的问题,使得研究冷却速度和微滴尺寸对快速微滴凝固过程的独立影响成为可能.同时,本研究成功实现了大冷速条件下的金属微滴过冷度的原位检测,有别于以往仅靠理论计算估计快速凝固过冷度的研究.研究结果发现,随冷却速率的提高,微滴凝固的过冷度会随之增大.本实验条件下的最大原位过冷度可以达到116.9K,当冷却速度达到2×10^3K/s以上时,凝固过冷度会发生突变,但冷速一直提高到1×10^4K/s时,过冷度的提高幅度均不大,意味着仅靠冷却速率的提高无法获得大过冷的凝固条件.     

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.     

光学显微集成成像三维图像快速获取技术

介绍一种新颖的光学显微集成成像三维信息获取技术．实验证明该技术相对于其他三维显微技术具有结构简单无需相干光源、能实时获取样品的三维表面结构等特点．该技术对光学显微成像及其三维显示具有广泛的应用前景．     

高灵敏度Ni过渡层Co/Cu/Co三明治的巨磁电阻效应及其来源

通过制备不同生长阶段不同厚度Ni过渡层Co/Cu/Co三明治,利用原子力显微镜、X射线衍射和高分辨电子显微镜等手段,系统地研究了Ni过渡层对材料表面形貌、界面,以及上下磁层磁性行为的影响,从而对高灵敏度的Ni过渡层Co/Cu/Co三明治巨磁电阻效应的来源进行了深入的研究.     

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...     

水热条件下二氧化钛晶体同质变体的形成

以二氧化钛为对象,对水热条件下晶体同质变体的形成过程进行了研究. 根据实验结果和理论分析,可将水热条件下晶体同质变体的形成过程概括为一个“基元过程”,它包括了生长基元的形成、生长基元之间的聚合反应导致晶核的形成、晶粒的生长等基本阶段. 环境相与生长条件对同质变体形成的作用主要体现于生长基元结构的不同. 例如,改变反应介质的酸碱度,水热反应体系中稳定能最高的生长基元的结构不同,这是不同水热条件下可以制得二氧化钛不同变体的原因. 生长基元在不同晶面族上的吸附、运动、结晶或脱附主要与晶相结构有关. 晶相内部缺陷的形成又与过程受到干扰有关.