在二元合金过冷熔体中枝晶生长在远场来流作用下的稳态解

研究在二元合金过冷熔体中远场来流引起的对流对稳态枝晶生长的影响．在大Schmidt数和零表面张力的情形下，将纯熔体中远场来流引起的对流对枝晶生长作用的结果推广到受远场来流影响的二元合金过冷熔体中，利用多重尺度方法得到了稳态枝晶生长的渐近解，并分析了在对流的作用下枝晶生长的温度和浓度以及界面形态的变化．当熔体流动速度增大时，过冷度对枝晶尖端曲率半径的影响减小．与关于纯熔体的结果比较，二元合金过冷熔体中流动速度对界面形态有更大的影响，界面形状仍然是一个近似的抛物面，流动速度通过影响规范化参数使得系统的Peclet数倾向于进一步增加．     

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.     

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.     

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.     

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.     

熔体过热对Sn—Bi40合金熔体结构转变及凝固组织的影响

以Sn－40wt％Bi合金为研究对象，探索了其在不同温度下恒温过程熔体电阻率随时间的变化规律，以及不同熔体状态与凝固行为及组织的关系．结果显示：在一定的临界温度以上，熔体保温相应时间后电阻率发生异常变化，提示熔体发生了结构变化；且随过热温度的提高，熔体结构转变所需“孕育期”愈短，转变速度愈快．凝固实验表明，一定过热度及相应保温时间所引起的熔体结构状态不同，导致凝固过冷度增大、晶粒明显细化且形态也发生改变．进一步的探索还表明，对应特定保温时间，凝固过冷度在一定的熔体过热温度下出现最大值．对上述现象的作用机理进行了简要的分析讨论．     

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.     

力学-电沉积法制备纳米晶光亮镍

提出一种力学-电沉积技术，在未添加任何光亮剂和晶粒细化添加剂的情况下制备出表面平整光亮的纳米晶镍沉积层。与传统电沉积技术的对照实验表明，硬质粒子在镍的沉积过程中不停磨擦和扰动阴极表面及附近溶液，能有效阻止氢气泡和杂质的吸附，避免凹坑、麻点和积瘤等表面缺陷产生。通过SEM，XRD和TEM观察和性能测试发现，硬质粒子的磨擦作用能改变沉积层的组织结构，进而影响其性能。与传统技术所制备的沉积层相比，用本文所述技术在相同条件下所制备镍沉积层的晶粒显著细化，尺寸大约30-80nm；各晶面的衍射强度和（200）面的择优取向度明显减小，（111）面和（220）面择优取向度增加；显微硬度显著提高；磁性能明显改变，饱和磁化强度减小，矫顽力增大。用力学-电沉积技术所制备镍沉积层的微观结构和性能受阴极转速和电流密度的影响。     

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.     

喷射成形12 mm厚La62Al15.7(Cu,Ni)22.3块体非晶合金的制备

用喷射成形工艺成功地制备出了总体直径为380mm、最大厚度为12mm，中心区域半径（最大厚度区域半径）为150mm的盘状La62 Al15.7（Cu，Ni）22.3块体非晶合金。DSC实验检测其玻璃转变温度（Trg）以及过冷液相区（△Tx）均比采用甩带法或铜模吸铸法制备的同成分非晶合金高。利用ANSYS有限元方法模拟了沉积坯温度场的变化，结果表明在合理控制喷射成形工艺参数的情况下有可能制备出更大尺寸的La62Al15.7（Cu，Ni）22.3块体非晶合金。     

定向凝固多晶硅中细晶产生的原因分析

铸锭多晶硅是目前最主要的光伏材料，其结晶组织的形貌对太阳能电池的转换效率有着显著的影响．粗大均一的晶粒有利于得到高质量的硅片，从而提高电池转化效率．而在多晶硅锭的中心区域经常发现晶粒尺寸小于1mm2的细晶，其电学性能较差，影响该部分硅片的质量．本文设计了两种不同结构的热场，利用计算机仿真技术和实验测量，结合组分过冷理论，对细晶形成机理和影响因素进行了探讨．研究表明，提高结晶界面前沿熔体的温度梯度与结晶速度的比值G／V、增强界面前沿熔体的对流强度，并维持较为平坦的结晶界面，有利于避免细晶的产生．     

基于分形论的霜晶生长模型及计算机模拟

以分形理论的DLA模型为基础建立了霜晶生长的二维模型，并进行计算机模拟．模拟过程中通过改变程序运行循环次数和随机粒子产生的几率从而得到不同条件下霜晶形成及生长过程的模拟图像．利用显微镜对霜晶体的形态进行观察并结合高像素数码相机拍摄到霜晶形成及生长过程中不同时刻的图像．模拟图像与实验图像的对比结果表明两者在形态上取得较好的一致，分形维数相近，从而证实采用程序运行的循环次数来代表霜晶生长时间，通过改变产生随机粒子的几率来模拟霜晶生长过程的密度变化的技术路线是可行的．研究结果表明，用这种分形理论模型模拟霜晶形成及生长过程能够取得较好的效果．论文也对该模型的不足做了客观的分析．     

定向多壁碳纳米管-M140砂浆复合材料的力学性能

研究了M140砂浆、定向多壁碳纳米管．M140砂浆复合材料的制备及其压缩、弯曲性能和折断面显微结构．使用市售普通材料通过变速搅拌工艺在常温水浴养护下制得M140砂浆，该砂浆强度尺寸效应不明显、后期增长缓慢；对定向多壁碳纳米管（A-MWNTs）的羰基化分散体和水分散体两种分散体增强M140砂浆进行了对比研究．添加0．01％（质量分数）的A-MWNTs后，A-MWNTs羰基化分散体-M140砂浆复合材料的抗折强度、抗压强度分别比相同条件下制得的M140砂浆的增加了5-4％，8．4％．而A—MTWNTs水分散体．M140砂浆复合材料的抗折强度、抗压强度分别比相同条件下制得的M140砂浆的增加了20．7％，15．9％．对A-MWNTs水分散体-M140砂浆复合材料断面显微分析得出碳纳米管与砂浆基体间界面结合适中；增强机理主要是碳纳米管对M140砂浆空隙的显微填料效应和碳纳米管的拔出、脱粘．在本文的研究中碳纳米管的水分散体与砂浆相容性好．     

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.     

定向凝固界面形态演化及其稳定性的相场法研究

采用B—S相场模型研究了二元合金定向凝固过程中抽拉速度和温度梯度两种凝固参数对界面形态演化、溶质分布、溶质截留及界面稳定性的影响．模拟结果再现了随抽拉速度和温度梯度的变化凝固界面形态发生深胞→浅胞→平界面的演化过程，比较了不同抽拉速度和不同温度梯度下一次间距、沟槽深度以及有效溶质分配系数等参数，预测了高抽拉速度和高温度梯度条件下的绝对稳定性，模拟结果与M—S稳定性理论吻合良好．     

镍铬合金烤瓷全冠腐蚀性分析

对不同两地加工厂生产的镍铬合金烤瓷熔附金属全冠(porcelain-fused-to-metal crown,PFM冠)进行了为期一年的体外腐蚀性对比研究、分析该产品应用近30年来烤瓷全冠中镍的析出量及其市场的规范化程度.将两厂家生产的镍铬PFM冠样品共40个,随机分为4组(10天组、1月组、6月组、12月组),分别浸泡于ISO/TR10271标准(37℃,pH 6.8)配制的人工唾液中,于10天、1月、6月、12月用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)测定浸提液中析出的镍离子浓度,同步采用X射线能量散谱仪(EDS)、正置式金相显微镜分析、观察样品元素构成及金相显微组织结构.结果显示两厂样品的镍离子析出量在一年组差异具有统计学意义(F=9.360,P=0.000).能谱分析显示两厂样品主要成分都为Ni、Cr、Mo,但含量不同;其金相结构均为树枝状共晶结构,但B厂样品较A厂夹杂物多,枝晶粗、排列紊乱、晶间相多.一年内两厂的镍铬合金烤瓷冠在抗腐蚀性能方面存在差异性,远期效果有待进一步观察.     

气体环境下双壁碳管振荡器的能量耗散

采用分子动力学模拟方法，研究了多壁碳纳米管振荡器在气体环境下的振动，讨论了气体密度、环境温度对碳管间摩擦力及振荡频率的影响．模拟结果表明，管间摩擦力随气体密度的增大及环境温度的升高而增大．气体分子的碰撞将导致碳管的品格变形，从而极大改变碳管间的初始理想匹配状态，导致摩擦力增大；随着温度的升高，碳管原子热振动振幅增大和高能量声子的激发，使得碳管振动的机械能更容易转化为热能而被耗散，导致摩擦力增大．气体密度的增大和环境温度的升高，都将导致振幅衰减加快，振荡频率增大．通过与真空状态下的谐振子相比，气体分子与管壁的碰撞是造成能量耗散的一个主要原因，气体环境的阻尼可能是导致碳管谐振子在工程实际中失效的主要原因，其次，环境温度对谐振子也具有重要的影响，低温工作条件对谐振子是有利的．     

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.     

颗粒强化氧化铝基复合陶瓷断裂特性的预测

计算了颗粒强化的氧化铝／碳化硅和氧化铝/莫来石复合陶瓷的残余微应力．结果表明，这两种复合陶瓷基体中的微应力与颗粒含量成线性关系．分析了应力状态对裂纹扩展和晶界强化的影响．从微应力作用的角度计算了氧化铝／碳化硅和氧化铝／莫来石复合陶瓷基体晶界与晶粒韧性比，并进一步得到断口的穿晶断裂百分比，从而建立了这两种复合陶瓷微观结构及成分、基体微应力、穿晶断裂百分比三者的对应关系．这样根据颗粒强化复合陶瓷的微观结构、第二相含量及分布可以预测复合陶瓷的断裂特性．     

定向凝固速率跃迁下平界面处液相溶质浓度变化及界面失稳

单相合金定向凝固时，固液界面处液相溶质浓度会受抽拉速率的跃迁变化而发生较大的改变．理论分析和数值计算结果表明：当抽拉速率从V0跃迁变化到V时，定向凝固系统并不能立即达到抽拉速率V,而是经过一个非稳态凝固过程才能达到矿跃迁加速中，界面处液相溶质浓度呈现小大小的不对称分布，且刚开始时，界面处液相的溶质浓度随抽拉速率跃迁比V/V0，原始抽拉速率V0和温度梯度GL增加而增大，相应的溶质扩散长度随V/V0和GL增加而减小．对于跃迁减速过程，变化情形刚好相反．另外在跃迁加速中，即使合金跃迁变化的抽拉速率仍处于平界面临界失稳速率范围之内，如果固液界面处液相溶质浓度过大，也会使合金凝固的平界面发生失稳现象．上述分析结果在Al-2％Cu合金的数值计算中得到了验证．