非平衡凝固Fe-Ni包晶合金的δ／γ相变

以包晶点合金Fe-4.33%Ni(原子分数)为研究对象,详细描述了不同熔体初始过冷度(?T)下合金的快速凝固过程以及凝固组织的δ/γ相变过程.以此为基础,结合相变动力学TTT(temperature-time-transformation)曲线,系统探讨了?T同过冷Fe-Ni包晶合金凝固组织中δ/γ相变间的物理联系.结果表明,初始过冷度的变化不仅会使δ/γ相变的路径发生变化,而且会使不同相变机制控制下的δ/γ相变的体积分数发生变化.     

Fe-C二元合金包晶相变的相场法模拟

以Fe-0.79 mol%C二元合金为例,采用多相场法,模拟研究了包晶相变过程中不同过冷度下奥氏体的演化过程,讨论了过冷度对奥氏体生长速度与形貌的影响.结果表明:包晶反应过程中,在界面迁移率与溶质富集的影响下,靠近三相节点处的部分δ相重熔,导致γ相向δ相内生长;当液相中的球状δ相表面发生包晶相变时,γ相作为一个外壳包围着δ相生长,最后在δ相周围形成一层γ相的核壳;随着过冷度的增加,包晶相变的驱动力增加,γ相的生长速度加快,γ相包围δ相的量越多。     

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。     

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.     

深过冷Fe-30%Co合金的组织演化

采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法，使原子分数Fe-30%Co合金获得了高达457K的大过冷度.系统考察了合金凝固组织随过冷度的演化规律.发现合金的凝固组织随过冷度的增大存在两次细化和一次粗化过程, 即在小过冷度范围内粗大树枝晶向粒状晶的转变和中等过冷度下局域定向枝晶的细化，而在大过冷度范围内随着亚稳枝晶核数目的增加,存在一个明显晶粒粗化的过程.     

Cu70Ni30过冷熔体凝固组织的粒化机制

在高真空下,采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法,在22～270 K过冷度范围内,研究了Cu70Ni30合金凝固组织形态演化过程.当过冷度AT大于临界过冷度△T3*(210 K)时,凝固组织由深过冷枝晶骤变为粒状晶,发生了组织粒化.组织观察及成分分析结果表明,该粒状晶的形成过程由两步组成:首先,在快速凝固过程中液固转变产生的应变能作用下发生了枝晶的碎断;然后,在表面能和应变能驱动下,碎断的枝晶块通过晶界移动,晶粒合并-再结晶完成第二类粒状晶的转变.     

深过冷Fe82B17Si1共晶合金的再辉及凝固组织特征

在大气中,采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法,使Fe₈₂B₁₇Si₁共晶合金获得了342K(0．238T_E,T_E为共晶温度)的大过冷度．对该合金的冷却再辉曲线及凝固组织研究发现：(1)在6～164K及255～342K过冷度范围内该合金的冷却曲线仅呈现一次再辉,而在174～247K过冷度范围内其冷却曲线则存在两次再辉,三过冷度范围内的凝固组织分别对应于由准规则共晶和复杂规则共晶组成的混合共晶或混合共晶+非规则共晶、完全非规则共晶、初生α(Fe,Si)相+枝晶间非规则共晶;(2)在过冷条件下,该合金的共晶两相α(Fe,Si)及Fe2B相满足促发形核的非互惠原则;(3)该合金非规则共晶出现的特征过冷度△T₁=63K,完全非规则共晶化的特征过冷度△T₂=164K;(4)该合金非平衡状态下的共晶共生区偏向Fe₂B相一边,它与共晶成分线的交点在△T=154K及△T=264K,其谷值约在△T=207K左右．     

近液相线半连续铸造中凝固组织的多尺度模拟

建立了描述连续铸造过程的温度场模型及相变模型,通过固相率变化将宏观和介观尺度上的模拟耦合起来.利用外推边界条件对Al-Cu合金在近液相线半连续铸造过程的稳态温度场进行了计算;根据连续铸造特点,提出了用液/固相变区域中元胞的平均过冷度作为形核计算的基本参数,避免了铸件中心区域的多余形核问题.对Al-(3.5~10)%Cu合金、铸造速度为2.0 mm/s的液相线铸造的凝固组织进行了模拟,并且ZL201合金的模拟结果与实验吻合.计算表明:合金成分对半固态合金组织的形成有较大影响,当合金质量分数在(8~10)%时可获得晶粒大小和分布良好的合金组织.     

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.     

Pb-6％Bi合金熔体结构转变及其对凝固的影响

通过Pb-6％Bi(质量分数)合金熔体的电阻率-温度行为，揭示在第一轮升温过程于813.3～1 135.9℃温度区间内发生熔体结构状态不可逆的变化；探索熔体状态对凝固行为与组织的影响，并利用牛顿热分析法(NrA)计算凝固潜热及固相分数随时间的变化。研究结果表明：当合金熔体经历结构转变后，凝固过冷度从5.4℃增大到8.4℃，凝固潜热从5.33×107 J/m3增加到7.08×107J/m3，凝固所需时间由28 s增加到39 s，凝固组织显著细化。熔体结构变化是合金熔体中Bi-Bi共价键原子团簇分解所致，且这一过程是一个熵增的过程，新的熔体结构更加均匀无序；当温度降低时，这些团簇不会重新形成。这会使得凝固形核需要有更大的过冷度，形核率增加，晶体生长速度降低，从而致使组织细化。不同的熔体结构状态对凝固有明显的影响。     

自由落体条件下三元Al-Cu-Ag合金的快速凝固

三元Al-30％Cu-18％Ag合金在自由落体条件下发生快速凝固,形成由θ（Al2Cu）,α（Al）和善（Ag2Al）三相组成的凝固组织．测定其固相面与液相面温度分别为778和827K,实验获得过冷度最大达△TMax=171K（0．20TL）．在对过冷行为和形核能力计算的基础上,分析了该合金快速凝固组织的演变规律．发现过冷度随合金液滴直径减小而呈指数形式增加,在整个过冷范围内,θ（Al2Cu）相的形核率最大,ξ（Ag2Al）相的形核率最小．当△T〈78K时,初生的θ（Al2Cu）相生成粗大枝晶;当78≤△T≤171K时,θ（Al2Cu）相晶粒细化,与α（Al）两相交替生长;当△T≥171K时,形成了以（θ＋α＋ξ）三元不规则共晶团为主要特征的凝固组织．     

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．     

落管中Co-Sn共晶合金的快速凝固

采用落管无容器处理技术实现了Co-34.2%Sn共晶合金在微重力条件下的快速凝固,获得了直径为100～900μm液滴的凝固组织.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0～309 K的过冷度,最大过冷度达到0.22 TE.理论分析与实验结果表明,γCO3Sn金属间化合物是领先形核相;过冷度大于213 K时,金属间化合物γCo3Sn将取代层片共晶成为领先生长相;Co-Sn合金的共晶共生区偏向于富Co方,其成分范围为19.0%～39.6%Sn.实验达到的过冷度范围内,αCo固溶体和γCo3Sn金属间化合物均以溶质扩散控制方式生长.     

负温度梯度熔体中晶体生长取向与控制

研究了 6 3～ 2 92K热力学过冷度范围内 ,Cu Ni单相合金的凝固组织演化规律 ,分析了负温度梯度熔体中晶体定向生长的过冷度条件以及晶体生长取向机制与控制方法 .结果表明 :(1)在临界过冷度ΔT (≈ 10 6K)附近 ,晶粒细化过程受溶质扩散控制 ,在临界过冷度ΔT (≈ 2 0 0K)附近 ,晶粒细化过程受热扩散控制 ;(2 )在 6 3～ΔT K范围内 ,晶体的生长方向是 [10 0 ],在 12 7～ΔT K范围内 ,晶体的生长方向可以是 [10 0 ],也可以是 [111].     

钢液非均质形核触媒效用的点阵错配度理论

对钢液凝固温度下各种化合物基底与钢液凝固形核相(δ-Fe和γ-Fe)的二维错配度进行了计算,并对点阵错配度与钢液非均质形核触媒效用的关系进行了分析和讨论.结果表明:基底与形核相的错配度δ越小,越有利于非均质形核.凝固过冷度的对数与基底和形核相的二维错配度近似呈线性关系.基底与形核相的错配度δ<8%,非均质形核效用显著.     

三水合醋酸钠/膨胀石墨复合相变材料的制备及其储热性能

水合盐储能材料普遍存在热导率低、过冷度大及相分离问题.本文通过熔融共混制备了以三水合醋酸钠(SAT)为主体的复合相变材料(CPCM).采用膨胀石墨(EG)作为高导热添加物强化导热系数,同时作为成核剂改善其过冷度问题.采用黄原胶(XG)为增稠剂改善复合相变材料的相分离问题.研究了复合相变材料的导热性能、相变性能及热稳定性,并基于该复合相变材料(SAT/EG/XG)搭建了高储热密度的相变储热器,研究了该装置在85℃热源、20℃冷源下的储放热性能.结果表明:膨胀石墨的加入可明显增强热导率及消除过冷度.添加2%～4%(质量分数)膨胀石墨,复合相变材料热导率可达1.12～1.81 W/(m·K),为纯SAT热导率的2～3倍,且添加0.5%～1.2%(质量分数)黄原胶可明显抑制相分离.复合相变材料具有很好的热稳定性,50次循环后其熔化温度保持在58.0℃左右,凝固温度稳定在57.6℃左右,无明显过冷度,相变焓为250～255 kJ/kg.基于该复合相变材料的储热器的储热密度可达442.7 kJ/L,是传统水箱的1.7倍,储放热效率达96.4%,具有明显的储热优势.     

深过冷Cu-Ni-Fe三元合金自定向快速凝固

利用熔融玻璃净化结合循环过热,在２５～３０４Ｋ过冷度范围,分析了Ｃｕ－３９％Ｎｉ－６％Ｆｅ（ｗｔ％）三元合金凝固过程过冷组织的演化规律。确定了负温度梯度下实现自定向凝固的过冷度条件：下限为能够抑制快速凝固过程中形成的枝晶熟化的最低过冷度,上限为快速凝固过程中枝晶不发生准球状化转变的最高过冷度;就研究的合金而言,过冷度范围为１１０～１８０Ｋ。在定向凝固的过冷度范围内,无需人为控制固液界面前沿的温度梯度,而且,以点触发试样端部,可以获得单晶     

三元Cu60Fe30Co10包晶合金的亚稳液相分离与快速凝固

利用落管技术和DSC热分析方法, 研究了三元Cu₆₀Fe₃₀Co₁₀包晶合金的亚稳液相分离现象和快速凝固过程. 发现该合金在1623.5 K发生亚稳液相分离, 形成了两个液相分别凝固为fcc结构的Cu(Fe,Co)固溶体和bcc结构的Fe(Cu,Co)固溶体. 落管中快速凝固条件下, 合金过冷度和冷却速率均随液滴直径的减小而增大. 一定的过冷度水平是发生亚稳液相分离的必要条件, 同时冷速大小直接影响凝固组织演变. 随着冷速增大, Fe(Cu,Co)相逐渐细化, 弥散分布于Cu(Fe,Co)相基体中. 计算分析了Fe(Cu,Co)小液滴在Cu(Fe,Co)液相基体中的Stokes运动和Marangoni迁移, 发现在落管中微重力条件下Marangoni迁移速率明显高于Stokes运动速率, Fe(Cu,Co)小液滴的运动主要由Marangoni迁移支配. 在同一过冷度下, VM/VS随Fe(Cu,Co)小液滴直径的减小而增大. 对相同尺寸的Fe(Cu,Co)小液滴, 过冷度越大, VM/VS越大     

液态Fe—Sb合金中枝晶生长规律研究

液态Fe-10％Sb合金在熔融玻璃净化和自由落体实验条件下,分别达到429K（0．24TL）和568K（0．32TL）过冷度．深过冷并没有改变合金的相组成,快速凝固组织中只有αFe单相固溶体．熔融玻璃净化实验研究发现,αFe枝晶生长速度随过冷度呈指数函数变化．当过冷度△T〈296K时,枝晶生长速度随过冷度增大而升高,并在296K过冷度处达到极大值1．38m／s．若合金过冷度进一步增大,αFe枝晶生长速度则呈现降低趋势．枝晶生长形态演变的主要规律是,小过冷条件下αFe相以粗大枝晶方式生长,而深过冷合金熔体中形成蠕虫状枝晶．溶质截留程度主要取决于实际枝晶生长速度而不是过冷度大小,同时也与冷却速率相关．由于其结晶温度间隔比较宽大,尽管快速枝晶生长显著抑制了溶质偏析,但是Fe-10％Sb合金仍难以实现完全无偏析凝固．     

Nd-Fe-B 包晶合金的定向凝固组织及相选择

对 Nd11.76Fe82.3B5.88包晶成分和 Nd13.5Fe79.75B6.75过包晶成分合金进行了高梯度定向凝固和激光快速定向凝固实验,研究了 Nd-Fe-B 合金组织形成及相选择与凝固参量(温度梯度 G,生长速度 V,合金成分 C0)之间的对应关系.针对包晶相为无固溶度的化学计量比结构的 Nd-Fe-B 合金体系,讨论计算了合金定向凝固过程γ-Fe及包晶T1相的界面温度随生长速率的变化,获得了 Nd-Fe-B 合金定向凝固相/组织选择图,确定了合金凝固中各相及生长形态转化的条件.Bridgman定向凝固实验中,随着抽拉速率的增加,T1相由平面/小平面向枝晶形貌转变;Nd13.5Fe79.75B6 75合金的激光实验中,凝固速率由4.4～5.0 mm/s时,领先析出的组织由γ-Fe 枝晶转变为 T1 相枝晶.实验结果与理论计算给出的相/组织选择图吻合较好.