单相合金凝固界面形态稳定非线性动力学理论

建立了单相合金凝固过程中固液界面扰动波振幅随时间变化的非线性动力学方程，解此方程，得到了在不同凝固条件下，随着凝固速度的增加，固液平界面失稳分岔后，胞枝晶开始稳定生长的条件，当固液界面向前推进速度较大即亚快速和快速凝固条件下，粗枝晶失稳分岔后，细支晶细胞晶开始稳定生长的条件，同时得出了稳定态胞晶、枝晶尖端的半径、固液界面干扰波的振幅和波长三者之间的关系式。     

凝固平界面的非线性不稳定性与动力学分岔

采用对凝固平界面正弦式干扰被凸缘的曲率、温度及其梯度、溶质浓度及其梯度进行平均的方法，导出了正弦式干扰波振幅随时间演化的非线性力学方程。对该方程定态解的非线性不稳定性和动力学分岔分析结果表明：（1）平＝胞转变的动力学分岔方式因界面温度梯度大小的不同而不同；在小的界面温度梯度范围内为准亚临界－滞后分岔；中等温度梯度条件下为超界－滞后分岔；大的界面温度梯度条件下则为超临界分岔；（2）在快速凝固区，胞状界面向平界面的转变总是以超临界倒分岔的方式实现的。     

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.     

银凝固过程中亚临界晶核和晶体团簇的分子动力学模拟

用分子动力学模拟方法研究了冷却速度对银最终构型的影响规律．通过分析银的径向分布函数、HA键对和最大晶体团簇中的原子数，确定出了银凝固后形成非晶的冷却速度．在此基础上，研究了周期性边界条件下银在凝固过程中亚临界晶核和晶体团簇的平衡结构．结果表明：在一定的冷却速度范围内，银熔体凝固后得到的组织是晶体团簇与非晶的混合体，最大晶体团簇尺寸随冷速的增加而减小，当冷速达到一个临界值时，晶体团簇完全消失．银熔体在凝固过程中的晶体团簇及结晶后的晶体是由面心立方和密排六方构成的层状偏聚结构．该层状偏聚结构起源于熔体中的晶胚，在形核阶段就已经生成，并非在生长阶段才开始产生．     

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．     

控制单相合金凝固界面形态非线性动力学方程

在非平衡非线性区内，假定在固液界面处为“局域平衡”，考虑了固液界面曲率的非线性、固液界面处温度和成分的非线性，建立单相合金凝固过程中固液界面扰动振幅随时间变化的非线性动力学方程，根据此非线性方程，可以得出在非平衡非线性区内，晶体生长的过程是一非平衡自组织的过程，它可以控制晶体从非稳态到稳定态生长的全过程。     

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．     

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...     

障碍物扰动对预混火焰发展的影响

要 研究了半开口管道中障碍物对预混火焰传播的影响. 结果表明, 由于障碍物引起的扰动, 使火焰在传播过程中不断加速, 同时管内压力上升. 根据火焰速度的量级, 在受限管道中的火焰传播可以分为3种状态: 熄火态、雍塞态和爆轰态. 在贫燃极限附近, 火焰加速一段距离后自动熄灭; 在雍塞态, 最大火焰速度略低于燃烧产物声速, 基本上不受阻塞比变化的影响; 随着当量比的上升, 对敏感气体而言, 火焰传播由爆燃转变为爆轰, 最大火焰速度随阻塞比的增加而降低; 而对于非敏感气体, 则不存在爆燃转爆轰现象. 管内压力随障碍物阻塞比的变化并不呈现单调规律. 同时用非稳态可压缩流体模型模拟了管内的火焰加速和压力发展过程, 计算结果和实验结果吻合得较好.     

Al-Ag-Ge合金熔凝过程中液相流动机制与旋涡组织形成的相关规律研究

采用电磁悬浮、感应熔炼、电弧熔炼和电阻熔炼等四种实验技术,并结合有限元数值模拟方法,系统地研究了Al₇₀Ag₂₀Ge₁₀合金的液相流动规律与凝固机制.与常规慢速凝固情况不同, Al₇₀Ag₂₀Ge₁₀合金在这四种实验条件下均能形成一种特殊的旋涡状凝固组织,旋涡组织的形成受到凝固前熔体内的液相流动与冷却速率的影响.在电磁悬浮与感应熔炼过程中洛伦兹力驱动熔体内的湍流流动,电弧熔炼过程中的湍流流动主要由电弧力引起,在电阻熔炼方式中则受表面张力与浮力驱动引起熔体内的层流流动.在快速流动的作用下, Ag₂Al相领先于近平衡条件下的(Al)相首先形核并以亚稳的旋涡状枝晶形态生长,在生长过程中保留了合金熔体的流场运动形态.当冷却速率增加时亚稳Ag₂Al枝晶快速生长,凝固组织中的旋涡密度随之增加.随流场驱动力增强,亚稳Ag₂Al枝晶生长的曲率半径减小,旋涡组织中各相之间的竞争形核与生长更加显著,最终旋涡组织...     

金属微滴快速凝固的过冷度研究

建立了金属微滴快速凝固过冷度的数学模型, 分析了金属微滴快速凝固过冷度的影响因素, 并定义参数ζ = σ,_SL³/(T_LΔH²)为微滴凝固过冷度变化的影响因子. 研究结果表明, 金属微滴快速凝固的过冷度大小随着凝固条件不同而变 化, 并主要是由于影响因子随条件不同发生改变所致, 影响因子越大, 可获得的相对过冷度也就越大. 快速凝固微滴的固液界面能、结晶潜热等参数会随微滴凝固条件的变化而发生改变.     

非线性系统,人地协同论与系统辩证论

本文介绍了非线性系统及非线性作用的特点，探讨了非线性现象中所包含的系统辩证规律。提出了人地协同论，对“持续、快速、健康”发展理论进行了系统思考。     

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.     

吸附制冷中CaCl2-NH3的化学吸附前驱态研究

作为一种化学吸附制冷工质对, 在吸附制冷条件下, CaCl₂-NH₃在发生化学吸附之前, 由于van der Waals力相对于化学反应力作用距离比较长, 所以一般要先发生物理吸附. 这个状态称为化学吸附前驱态. 通过控制氯化钙不同的膨胀、结块现象, 在氨络合物的屏蔽系数作用下实现NH₂气体分子与Ca²⁺之间不同的距离长度, 从而得到了不同的化学吸附前驱态. 结果表明, 吸附剂发生严重膨胀现象而没有发生结块现象时, 由于化学吸附前驱态中NH₃气体分子与Ca²⁺之间距离较长, 吸附过程所需要的活化能增加, 吸附剂在反复的吸附、解吸过程中出现衰减现象. 而在吸附剂发生结块现象时, 由于NH₃气体分子与Ca²⁺之间距离受到有限空间的控制, 从化学吸附前驱态过渡到化学吸附态所需要的活化能相对较小, 其吸附性能不再出现衰减趋势. 利用化学吸附前驱态研究了吸附制冷等压线, 结果也表明, 在Ca²⁺的分布没有对NH₃气体分子的渗透性能产生影响的前提下, 化学吸附前驱态对试验结果起着决定性作用.     

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.     

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。     

半浮区小Pr数液桥热毛细对流的实验探讨

研究了半浮区汞液桥实验装置，以探讨小Ｐｒａｎｄｔｌ数流本的热毛细对流及其不稳定性，发展了非接触光学监测汞桥的表面流动及形变方法。实验观察到热毛细对流及其受表面膜的影响，证明表面膜的形成严重抑制了与热毛细对流有关的行为，实验给出发生振荡的条件及其特征。讨论了表面膜的生成条件和过程，以及观察到的有表面膜情况下的表面振荡现象，并给出了该振荡的特征和频率。     

页岩气多尺度复杂流动机理与模型研究

页岩气储层纳微米孔隙、裂缝结构复杂,存在多尺度流动,气体的流动规律不同于常规气藏.本文对多孔介质内气体流动进行了研究,利用努森数划分不同尺度下气体流态,阐明了不同区域的流动机理和流动特征;综合考虑达西渗流、滑移扩散效应、井筒附近高速非达西效应等多重非线性效应,建立了页岩气储层多尺度统一流动模型.引入页岩气储层基质-压裂缝耦合两区模型,建立了页岩气储层压裂井定压条件下的两区压力分布和产能预测方程,并结合生产实例进行了参数敏感性分析.结果表明:随着滑移扩散系数、分形系数、压裂半径的增大,页岩气井产能增加,且增加幅度减小;考虑高速非达西效应较不考虑高速非达西效应时,页岩储层产能偏低,且高速非达西效应的影响小于滑移扩散对产能的影响.该模型为体积压裂页岩气产能预测及开发指标优化提供了理论依据.     

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．     

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.