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     

落管中Al-Ge亚共晶合金的快速枝晶生长

采用落管无容器处理技术研究了Al-45%Ge亚共晶合金在无容器条件下的深过冷与快速枝晶生长.自由落体过程中液滴达到的过冷度范围为13～201K,最大过冷度达0.27T L .发现初生(Al)相的生长形态随着过冷度的增大由柱状枝晶向等轴枝晶转变.根据快速枝晶生长理论对初生(Al)相的枝晶生长速度进行了计算,结果表明初生(Al)相的生长始终受溶质扩散控制,没有发生从溶质扩散控制生长向热扩散控制生长的转变.     

液态Fe-Cu-Mo合金的比热和相关热物理性质研究

采用电磁悬浮落滴式量热方法研究了三元Fe_77.5Cu₁₃Mo_9.5偏晶合金在1482~1818 K范围的比热和相关热物理性质. 在实验获得的0~221 K (0.13 T_m)过冷度范围内, 其比热为44.71 J·mol^-1·K^-1. 据此对该合金的过剩比热、焓变、熵变和Gibbs自由能差进行了计算, 发现传统近似方法的计算结果只能描述小过冷近平衡条件下的凝固过程, 在深过冷条件下只有实验结果才能反映相变过程的真实情况. 根据比热实验结果揭示了热扩散系数、热传导系数和声速随温度的变化关系. 分析发现凝固组织由(Fe)和(Cu)两相组成, 并依据两相界面能的计算结果探索了偏晶合金竞争形核与凝固组织的相关规律.     

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。     

三元Sb60Ag20Cu20合金中枝晶与共晶的快速生长

采用深过冷方法实现了三元Sb₆₀Ag₂₀Cu₂₀合金的快速凝固, 最大过冷度达到142 K(0.18T_L). 在40~142 K过冷范围内, 合金凝固组织由(Sb), θ (Cu₂Sb)和 ε (Ag₃Sb)相组成. 深过冷扩大了(Sb)相的固溶度, 从而使其点阵发生膨胀, 点阵参数值增大. 初生(Sb)相存在两种生长方式: 小过冷条件下主要以非小面相枝晶形式生长; 大过冷条件下呈现小面相枝晶生长. (Sb)和θ相的晶体结构差异较大, 使合金熔体到达(θ+Sb)共晶线时不易生成(θ +Sb)二相共晶, 而是形成条状θ 相. θ 和 ε 相具有较强的协同生长趋势, 因此易于形成( ε + θ )二相共晶. 另外, 根据微观组织特征和DSC实验结果确定了合金的快速凝固路径.     

A1-3.4Wt%Bi偏晶合金定向凝固组织演变规律研究

在定向凝固条件下,对偏晶系Al-3.4wt%Bi合金的组织选择规律进行了研究,考察了凝固速度和温度梯度对凝固组织的影响.实验结果表明:偏晶反应在一定条件下可以生成两相有序排列的共生组织.在一定的温度梯度下,随着凝固速度的提高,组织由规则形态的纤维(或串状)组织向弥散分布的不规则组织转变.当G/V＞1.60×109K@S/m2时,能得到规则的组织;反之,则得到不规则的弥散分布的组织.温度梯度提高,获得规则组织的临界生长速度也提高.     

NaBi(WO4)2 枝晶生长实时观察及其凝固组织研究

利用高温晶体生长实时观察装置, 观察并研究了小Prandtl数、高熔点、透明的NaBi(WO₄)₂ (NBWO)氧化物中的枝晶生长过程. 根据其动态图像及细节信息分析, 枝晶不同主干和分支之间的竞争现象以及熔体中的对流效应均存在抑制枝晶生长作用. 枝晶生长速度随时间变化, 其中主干生长速度在熔体扩散区达到最大值5.8 mm/s, 当其前沿进入对流区后, 生长速度迅速减小, 枝晶分支的生长速度变化也具有相同的规律. NBWO熔体急冷后凝固组织的EPMA-EDS分析表明, 枝晶生长不同阶段固液界面前沿熔体中存在成分偏离化学计量比现象.     

Al-Bi过偏晶合金液-液相分离模拟与分析

采用Eulerian法建立过偏晶Al-Bi合金难混溶区凝固过程的数学模型,对过偏晶合金液-液相分解及分离的运动行为进行数值模拟研究,分析两相温度场、运动速度、浓度分布等物性参数对合金凝固显微组织演化的影响.结果表明:先形核的局部区域的过冷度是影响局部大尺寸液滴产生的重要原因;无重力条件下,Marangoni力驱动第二相小液滴向铸件中心区域迁移,导致偏晶合金不能均匀分布;浓度场的不均匀分布是产生宏观偏析的前提,定向运动最终导致两相的宏观分离.     

强磁场对Cu-40%Pb偏晶合金凝固组织的影响

在强磁场作用下进行了Cu-40%Pb偏晶合金的凝固实验,研究了偏晶共生组织的凝固形态.实验结果表明:12 T强磁场的作用使富Pb组织形态发生变化,试样中部及下部的棒状相伸长,在试样中部形成了超长规则排列的棒状富Pb相.凝固前沿富Pb小液滴的运动及分布是决定共生组织中棒状相形态的决定性因素.施加强磁场可改变富Pb基体的表观黏度,从而对凝固前沿的富Pb小液滴运动及附近流体流动产生抑制作用,这被认为是规则排列的超长棒状相的形成原因.     

含Hf镍基粉末高温合金快速凝固粉末颗粒特性

采用扫描电镜、透射电镜及其附带的能谱仪和碳复型萃取技术等多种手段研究了不同Hf含量的FGH96合金粉末颗粒显微组织、枝晶间合金元素偏析和析出相.发现Hf含量可以改变粉末颗粒内部树枝晶、胞状长大晶和微晶凝固组织的比例,粉末的快速凝固组织形态主要取决于冷却速率和固液界面前沿温度梯度与长大速度的比值.不同Hf含量的FGH96合金粉末颗粒中,Nb、Ti、Zr和Al均富集于枝晶间,Co、Cr、W和Ni均富集于枝晶轴.当Hf质量分数为0.3%时,Ti、Nb、Zr、Hf等强碳化物形成元素的枝晶偏析程度最小.在快速凝固粉末颗粒中,Hf对氧含量比碳含量更敏感,优先形成更稳定的氧化物HfO2.     

Ni3Al合金熔点与比热的分子动力学模拟

采用嵌入原子法对深过冷条件下Ni3Al合金的熔点和比热进行了分子动力学模拟. 熔点的模拟分别采用三明治夹层结构法和NVE系综法, 两种方法获得的熔点比较一致, 但均略高于实验值, 这可能是由于实验中熔点的测量受到普遍存在的表面熔化现象影响的结果. 模拟获得的比热在800~2000 K 范围内随着温度的升高缓慢线性减小.     

合金凝固过程中等轴枝晶生长的数学模型

在枝晶晶粒的尺度上，从同时满足溶质守恒与热平衡的原则出发，提出了合金凝固过程中等轴枝晶生长的数学模型。该模型由４个相互联系的微分方程组成，可通过计算机求解，为模拟枝晶合金凝固组织的形成过程奠定了初步基础。     

深过冷Pb-Sb-Sn合金中初生相和共晶组织形成规律研究

研究了Pb-Sb-Sn三元系中不同相区的合金在深过冷条件下凝固组织形成规律. 实验发现, 初生(Pb)和SbSn相均以枝晶方式生长, 而初生(Sb)相主要呈现为多边形块状和板条状小面相. (Pb)和SbSn相之间的亲和力较强, 易于形成二相共晶, 组织形态丰富多彩. (Pb)和(Sb)相则是以离异共晶方式生长. (Sb)和SbSn相不易单独形成二相共晶, 但在三元共晶组织中可以相互依附生长. (Pb)+ (Sb)+SbSn三元共晶组织通常呈层片状生长, 当其体积分数较小时会形成不规则共晶组织. EDS分析表明, 在深过冷快速凝固条件下, 三种初生相的溶质固溶度均得以扩展, 表现出显著的溶质截留效应.     

相场法模拟界面能各向异性对枝晶生长行为的影响

采用修正的相场模型，模拟了纯物质在深过冷条件下界面能各向异性对晶体生长行为的影响．结果表明，各向异性模数很小时，枝晶形态为典型的海藻晶；当各向异性模数较大但仍小于临界值（1/15）时，枝晶形态为光滑枝晶；而当各向异性模数大于该临界值后，某些方向的生长将消失，呈现为棱面枝晶形态．当各向异性模数小于临界值（1/15）时，枝晶尖端生长速度随各向异性的增强而线性增大；当各向异性模数大于0.1后，枝晶尖端生长速度增大、速率减小并逐渐趋于定值．强各向异性与弱各向异性下的情况类似，枝晶尖端生长速度都表现出随界面厚度参数的减小而逐步收敛的趋势．     

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．     

连铸坯凝固过程平面枝晶微观偏析模拟研究

为解决连铸钢坯偏析问题,基于菲克第二定律和质量守恒定律,建立了一维平面枝晶生长凝固偏析数值模型。应用有限容积法离散传质方程,离散后的方程用VB编程求解,研究X70管线钢凝固过程中在二次枝晶间距范围内的C,Si,Mn,S,P各元素质量分数分布随凝固进程和冷却速率的变化规律。结果表明:固相率的变化对合金元素在二次枝晶间偏析影响较大,冷却速率对其影响较小;随着固相率的增加,各合金元素的固相成分增加较少,液相成分质量分数快速增加;S和P元素在固相中的分布较均匀,S凝固终了的偏析指数最高,C偏析指数最小。在实际生产中应适当控制S和P元素的含量。     

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.     

强磁场下Cu-25%Ag合金的凝固行为

研究了强磁场对Cu-25%Ag(质量分数)合金凝固组织的影响,分析了不同磁场条件对合金凝固组织的作用机理.研究发现,均恒磁场和梯度磁场对合金的凝固组织有重要影响,改变了富Cu枝晶形貌和尺寸,无磁场条件下初生富Cu枝晶分布不均匀,一次枝晶比较长且粗大,枝晶主要以柱状枝晶为主;在12 T磁场条件下,富Cu枝晶分布比较均匀,一次枝晶变短、粗化,枝晶主要以胞状枝晶为主;在负梯度磁场条件下,富Cu枝晶分布不均匀,在试样下部,树枝晶减少,以小平面方式生长的粗大胞晶为主.通过实验研究表明,利用均恒强磁场控制Cu-Ag合金凝固组织,细化晶粒、减小偏析是具有可行性的.     

快速传热传质对Fe-Cu包晶合金凝固过程的作用机制

通过求解急冷熔体中的速度场和温度场, 分析了快速凝固过程中Fe-Cu包晶合金熔体的黏性流动及其组织形成规律, 并对理论结果进行了实验验证. 发现合金熔体在急冷快速凝固过程中, 沿液池的高度方向存在着较大的温度梯度, 而在与辊面相切的水平方向上液池温度变化不甚显著. 熔体自喷嘴喷出后, 在高度约180 μm处迅速改变流速的大小和方向: 水平流速迅速增大, 而高度方向的流速则急剧减小. 液池底部存在高度为160~240 μm的动量边界层和厚度为160~300 μm的热边界层, 边界层中的雷诺数Re在870~1070范围. 随着Re数的增大, 冷却速率呈线性增大, 热边界层厚度单调增加, 动量边界层厚度则呈现出非线性变化趋势. 当Re<1024时, 动量传输作用较强, 急冷液相的黏性流动比较显著, 分离液相易于形成纤维状凝固组织; 而当Re>1024时, 热量传输作用显著增强, 液相流动受到抑制, 容易获得均匀细小的等轴晶组织.