三元Fe-Sn-Ge和Cu-Pb-Ge偏晶合金相分离与快速凝固研究

采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法研究了三元Fe-43.9%Sn-10%Ge和Cu-35.5%Pb-5%Ge偏晶合金的相分离与枝晶生长特征, 实验中分别获得了245和257 K的最大过冷度. 两种合金熔体均发生液相分离, 快速凝固组织呈现出显著的宏观偏析. X射线衍射分析表明, Fe-43.9%Sn-10%Ge合金的凝固 组织由α-Fe 和(Sn)固溶体以及 FeSn 和 FeSn₂金属间化合物等四相组成, 而Cu-35.5%Pb-5%Ge合金的凝固组织由(Cu)和(Pb)两相组成. 在快速偏晶凝固过程中, α-Fe 和(Cu)相均以枝晶方式生长, 并且深过冷条件下皆发生了“枝晶®偏晶胞”转变. 实验发现, α-Fe 和(Cu)相的枝晶生长速度都随过冷度的增大呈现出指数函数变化规律.     

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.     

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.     

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.     

定向激发深过冷Fe81Ga19合金的组织特性

采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法制备过冷度分别为198、270、300K的Fe81Ga19合金,对不同过冷度的Fe81Ga19合金进行定向激发以获得具有轴向择优取向的棒材,并研究其显微组织和择优取向.结果发现:过冷度为198K的合金其凝固组织为细小的粒状晶或准球状晶,过冷度为270K的合金,晶粒尺寸增大,发生多边化转变,形态上表现为等轴晶,晶粒内部存在大量亚晶界;过冷度增加至300K的合金经定向激发后晶粒进一步粗化,晶粒呈一定的取向沿轴向方向排列.X射线衍射分析表明,深过冷Fe81Ga19合金经过定向激发后其凝固组织具有明显的〈110〉择优取向,其中过冷度为270K的合金定向激发后出现有利于磁致伸缩性能的〈100〉取向,并且衍射峰出现劈裂现象,DSC曲线在820℃左右出现一明显的吸热峰,对应于A2+修正DO3→A2的相转变,证明快速凝固的深过冷定向激发Fe81Ga19合金棒材中存在四方结构畸变的新的DO3相结构.     

深过冷Ni-Sn共晶合金凝固组织的演化及非规则共晶的形成

采用熔融玻璃净化配合循环过热方法使 Ni-Sn共晶合金实现了深过冷快速凝固，并对其凝固组织随初始过冷度（ΔΤ）的演化规律进行了研究.发现当ΔΤ<65K时，凝固组织为规则层片状共晶或羽毛状共晶.ΔΤ>65K时，非规则共晶在凝固组织中出现，随ΔΤ的增大，非规则共晶体积分数逐渐增大，并在ΔΤ>140K时，凝固组织完全由非规则共晶组成.利用单相枝晶再辉后的熔断理论，解释了非规则共晶的形成机制.     

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.     

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．     

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．     

深过冷Ni—Si共晶合金中Ni3Si的生长形态

采用熔融玻璃净化和循环过热相结合的方法，使Ｎｉ－Ｓｉ共晶合金获得了２２４Ｋ的大过冷度，对该合金深过冷快速凝固组织的形成机制和小平面相Ｎｉ３Ｓｉ的生长形态的研究发现，在过冷条件下，共晶组织形成之前，往往会生成组成共晶的两相的初生相，随着过冷度的增大，Ｎｉ３Ｓｉ初生相的生长形态由小平面形态向非小平面形态转变，其转变的临界过冷度约为６０Ｋ。     

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.     

深过冷Fe82B17Si1非规则共晶中Fe2B相的形态演化

在63～342 K过冷度范围内,对Fe82B17Si1合金非规则共晶中Fe2B相的生长形态演化进行了研究.发现:(1)在具有一次再辉的63～164 K及255～342 K过冷度范围内,随过冷度增加Fe2B相由变异的小平面结构逐渐转变为树枝状,进而向具有明显定向特征的树枝状和超细的球状转变,该合金Fe2B相由小平面转变为树枝状的过冷度过渡范围约为63～164 K;(2)在具有两次再辉的174～247 K过冷度范围内,随初生α相含量的增加枝晶间非规则共晶逐渐向离异共晶转变;(3)在63～154K和312～342 K过冷度范围内,该合金非规则共晶中的Fe2B相存在两次粒化现象,这两次粒化对应于不同的非规则共晶形成机制.     

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     

深过冷条件下三元共晶的快速生长

采用熔融玻璃净化方法进行了大体积Ag_42.4Cu_21.6Sb₃₆三元共晶合金的深过冷实验, 获得最大过冷度为114 K(0.16 T_E). 发现在深过冷非平衡条件下三元共晶由ε(Ag₃Sb), (Sb)和θ(Cu₂Sb)三相组成, 而不是平衡相图中预期的(Ag), (Sb)和θ(Cu₂Sb)相. 小过冷条件下, 合金的凝固组织是初生θ相、(ε+θ)和(ε+Sb)二相共晶以及规则(ε+θ+Sb)三元共晶并存的混合形态. 随着过冷度的增大, 初生相和二相共晶逐渐消失, 而且三元共晶发生从规则共晶向不规则共晶的生长形态转变. 当过冷度超过102 K时, 不规则(ε+θ+Sb)三元共晶成为惟一的组织生长形态. 3个共晶相之间发生的竞争形核与生长是出现复杂生长形态的主要原因. 实验与理论计算结果表明, 金属间化合物θ相是领先形核相.     

深过冷Fe82B17Sil非规则共晶中Fe2B相的形态演化

在63～342 K过冷度范围内,对Fe₈₂B₁₇Si_l合金非规则共晶中Fe2B相的生长 形态演化进行了研究．发现：(1)在具有一次再辉的63～164 K及255～342 K过冷\r 度范围内,随过冷度增加Fe2B相由变异的小平面结构逐渐转变为树枝状,进而向具 有明显定向特征的树枝状和超细的球状转变,该合金Fe'B相由小平面转变为树枝状 的过冷度过渡范围约为63～164 K;(2)在具有两次再辉的174～247 K过冷度范围 内,随初生a相含量的增加枝晶间非规则共晶逐渐向离异共晶转变;(3)在63～154 K和312～342 K过冷度范围内,该合金非规则共晶中的Fe2B相存在两次粒化现象, 这两次粒化对应于不同的非规则共晶形成机制．     

强制对流作用下溶质枝晶生长的CA-LBM模拟

应用一个二维的元胞自动机(cellular automata, CA)-格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM) 耦合模型,对合金等温凝固过程中溶质枝晶在强制对流作用下的生长规律进行了模拟研究.该耦合模型采用CA方法模拟枝晶生长,同时采用基于分子动理论的LBM模拟枝晶生长过程中的流场和浓度场.应用该模型模拟分析了过冷度和成分等因素对Al-Cu合金在纯扩散和对流作用下单枝晶的生长规律的影响.结果表明,在纯扩散条件下,模拟的枝晶稳态生长尖端速度、半径、Peclet数和过冷度的关系与Lipton-Glicksman-Kurz (LGK)模型的预测结果吻合良好.对流作用下枝晶的生长形貌呈现出了不对称性,枝晶的生长在上游方向得到促进,而在下游方向受到抑制.合金成分和初始过冷度等因素会对枝晶形貌和生长动力学产生影响.     

铜在陶瓷坩埚中的净化与深过冷

对大气熔炼条件下,铜在高铝质陶瓷坩埚中被熔融玻璃净化后的过冷度进行了实验和理论研究．结果发现：采用先加玻璃净化剂、等其熔化后再加金属的净化工艺,使铜在高铝质陶瓷坩埚中获得了221K的过冷度;铜在高铝质陶瓷坩埚中深过冷的获得,与所采用的净化工艺可使高铝质陶瓷坩埚表面上形成一熔融玻璃层有关;要使铜在高铝质陶瓷坩埚中获得深过冷,所用的净化玻璃必须具有一定的碱度;熔体体积对过冷度的影响比较小,从理论上预测出冷却速度为1K·s-1时,重量为1t的铜液被钠钙硅酸盐玻璃净化后,仍可获得181K的过冷度．     

多元合金等温凝固相场法模拟

利用由二元合金相场模型扩展获得的多元合金相场模型,以Fe-C-P合金为例,研究界面厚度对枝晶生长的影响.结果表明,随着界面厚度的减小,枝晶生长速度增大,界面推进速度提高,主枝晶臂变细,二次枝晶臂越发达,固液界面溶质扩散层的厚度减小,界面前沿溶质分配系数增大,而界面前沿溶质偏析程度也相应增大;相反,随着界面厚度的增加枝晶尖端生长速度逐渐减小,并呈收敛的趋势.