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共晶生长

采用落管方法实现了Sb-24%Cu合金在微重力和无容器条件下的快速共晶生长。对自由落体条件下的晶体形核和共晶生长进行了研究，发现随着过冷度的增大，共晶生长由层片共晶向不规则共晶转变。实验中获得了0-154K的过冷度，最大冷度达到0.19TE。计算结果表明，金属间化合物Cu2Sb是领先形核相；当过冷度大于40K时，Sb枝晶的生长速度将超过共晶生长速度；此共晶体系的共生区强烈地偏向于Cu2Sb一方，其成分落轩为23.0%-32.7%Sb。     

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.     

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.     

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.     

超声场中Sn-38.1%Pb 共晶合金的动态凝固

Sn-38.1%Pb 共晶合金在频率为35 kHz 的超声场中发生凝固时, 随着试样高度H 的降低, 声场对宏观偏析的抑制效果更加显著, 球状共晶团在凝固组织中所占体积分数相应增大. 当H 等于声波在合金熔体内的波长λ时, 超声场能够扩大初生(Sn)相分布区域, 缩小Sn-Pb 共晶和初生(Pb)相分布区域. 同时, 初生(Sn)相晶粒显著细化, 生长方式发生“枝晶-等轴晶”的转变. 对于 H=λ/2 和λ/4 的合金试样, 超声场能够促进熔体形核, 降低合金整体过冷度. 分析表明, 超声场中的空化效应抑制了熔体过冷, 声流促进共晶生长界面前沿的温度场和浓度场呈空间对称分布, 使Sn-Pb 共晶以三维对称方式生长.     

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.     

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.     

重力对ZrTiCuNiBe合金非晶形成能力的影响

利用Bridgman定向凝固装置，在不同提拉速度下，研究了重力对Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5大块非晶形成合金的凝固及非晶形成能力的影响，通过改变重力场与凝固方向（固液界面移动方向）的相对关系，发现重力对合金的晶化相组分、过冷度和非晶形成能力有很大影响，从重力诱发对流角度讨论了这一差异，该研究有助于认识大块非晶的形成机理。     

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.     

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.     

TiC原位增强块状Cu47Ti34Zr11Ni8非品合金复合材料

在电弧炉中利用吸铸法制备了直径1～4mm的原位生成TiC和β-Ti枝晶联合增强的块状Cu47Ti34Zr11Ni8非晶合金复合材料．DSC热分析结果表明、原位生成TiC颗粒的引入，没有影响基体合金的非晶形成能力．用OM，XRD，SEM，EDS等方法研究了复合材料的相组成、微观组织以及成分分布、结果表明．TiC颗粒怍为异质形核中心促进了β-Ti枝晶的形成、形成了TiC颗粒和β-Ti枝晶联合增强的块状Cu47Ti34Zr11Ni8非晶合金复合材料、而且β-Ti枝晶的尺寸和数量与TiC颗粒的多少以及试样的尺寸有关．室温压缩试验表明，同单相非晶合金相比，块状Cu47Ti34Zr11Ni8非晶合金复合材料提高了抗压强度及塑性。     

重力对ZrTiCuNiBe大块非晶形成合金定向凝固组织的影响

以ＺｒＴｉＣｕＮｉＢｅ大块非晶形成合金为研究对象，利用定向凝固装置，进行了不同重力场方向下合金的定向凝固实验，利用Ｘ射线衍射仪分析了初生相组成，并通过金相显微镜观察了凝固组织形貌。研究发现，当凝固方向与重力场取向相同时，凝固组织主要为大量共晶相＋少量针状初生相，当凝固方向与重力场取向相反时，针状初生相多而粗大。     

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.     

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.     

多元合金非平衡凝固溶质分配模型

实验研究和生产中广泛采用多元合金(二元以上)。因此研究多元合金溶质分配模型具有重要意义。文献[1,2]报道了二元低合金快速凝固条件下溶质的非平衡分配模型。但有关多元合金凝固过程中溶质的分配模型至今未见报道。本文从理论上建立了非     

定向凝固Al2O3／Al—4.5Cu复合材料的弯曲性能与断裂特征

采用定向凝固的方法研究了Al2 O3/AL_4 5Cu复合材料的力学性能的变化规律 ,实验结果表明 :随着定向凝固冷却速率的提高 ,Al2 O3/Al 4 5Cu复合材料的抗弯强度和塑性提高 ,与搅拌铸造Al2 O3/Al 4 5Cu复合材料相比 ,当定向凝固速度达到 70 0 μm/s时 ,其抗弯强度提高 6 6 % ,断裂应变提高 135% .另外 ,在相同定向凝固条件下Al2 O3/Al 4 5Cu复合材料与Al_4 5Cu合金相比较 ,其抗弯强度均得到明显改善 ,而断裂应变则降低 .搅拌铸造Al2 O3/Al 4 5Cu复合材料表现为沿晶断裂 ,而定向凝固Al2 O3/Al 4 5Cu复合材料表现为韧性断裂 ,随着定向凝固速率的提高 ,其断裂面上韧窝数量明显增加 .     

利用纳米粒子强化微乳液体系HCFC141b 水合物的生成

快速有效的促晶方法是实现气体水合物蓄冷技术的关键. 从增大一氟二氯乙烷(HCFC141b)和水的互溶度和相界面出发, 制备了HCFC141b 微乳液, 对比研究了HCFC141b微乳液和HCFC141b/水粗混合体系中的HCFC141b 水合反应诱导时间和过冷度, 分析了水合物生长特征; 在此基础上利用纳米粒子强化传热的特点, 考察了混合体系中添加纳米Cu 粒子和纳米Al₂O₃ 粒子对水合反应的影响. 结果表明, 微乳液体系内快速均匀地生成大量水合物晶体, 水合反应诱导时间比在乳浊液和不含表面性剂的粗混合体系中分别缩短36%和52%. 将纳米粒子加入微乳液体系可降低反应过冷度, 但是对粗混合体系和乳浊液中的反应过冷度无影响. 微乳液体系内添加0.1 wt%纳米Cu 粒子后水合反应诱导时间缩短29%, 过冷度降低39%.将微乳液体系和纳米粒子相结合形成的纳米流体可有效促进制冷剂气体水合物的生成.     

激光熔凝Al_(72)Ni_(12)Co_(16)中十面体准晶的生长

以展宽的激光束为加热源，在超高温度梯度条件下Ａｌ_72Ｎｉ_12Ｃｏ_16合金中获得了单相、十面体准晶定向生长组织．Ｘ射线衍射、透射电子显微镜、扫描电子显微镜和光学显微镜分析结果表明：在上述条件下定向凝固组织中为单相十面体准晶相；该相呈小平面形态并以侧向方式生长．十面体准晶中的周期性和准周期性的原子结构和熔池中的外延生长条件是影响生长形态的主要因素．实验结果与Ｔｏｎｅｒ原子结构生长模型预测相符．