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.     

金属合金枝晶生长同步辐射X射线实时成像观察

同步辐射光源具有高能量、高亮度、高分辨率、单色性好等优点,其配合高读写速度及高分辨率的CCD(charge coupled device)成像系统,可实现对金属合金凝固过程的枝晶生长动态行为进行实时成像观察.本研究利用北京同步辐射光源,采用X射线衍射增强成像法,对低熔点的Sn-Bi和Sn-Pb合金的凝固进程进行实时成像研究,成功地获得一系列丰富的等轴晶、柱状晶生长行为以及形貌演变的视频图像,这些成像结果为验证或完善已有的金属合金凝固理论提供了直接的第一手实验数据.同步辐射X射线实时成像技术为研究金属合金凝固理论提供了崭新的实验手段和研究思路.     

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.     

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.     

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.     

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。     

多元合金枝晶生长形态转变及显微偏析的相场法研究

采用多元合金相场模型及耦合真实热力学参数，对Ni-Al-Nb三元单相合金在不同过冷度及不同成分条件下的枝晶生长形态转化及显微偏析进行了研究．结果表明：在成分相同改变过冷度以及过冷度相同改变Nb含量两种条件下，随着无量纲过冷度U（U=△T／△T0，其中△T为过冷度，△T0为结晶温度间隔）的增大，两种条件下均出现枝晶形态由典型枝晶形态向球状晶形态转化，而枝晶显微偏析程度在两种条件下均呈现为先增大后减小的规律．     

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．     

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.     

多元合金凝固界面形态演化模型

结合计算相图, 并在考虑了合金组元间的非线性交互作用的基础上, 充分考虑浓度场、温度场、界面张力效应和动力学效应的耦合作用过程, 对多元合金凝固界面形态演化进行了较为细致的研究, 发展了一个适用于多元合金定向凝固界面形态演化的准三维自洽模型.     

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.     

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.     

超声凝固条件下二元Al-12.6%Si共晶合金的组织演变机制研究

在三维高强超声场中实现了二元Al-12.6%Si共晶合金的动态凝固过程,探索了其组织演变机制.结果表明,静态凝固条件下形成典型的共晶组织,其中(Si)相呈不规则薄片状,而α(Al)相为枝晶状.三维超声作用下,空化引起熔体过冷和声流改变温度场和溶质场的分布特征,使两共晶相独立形核,从而形成离异共晶组织.超声的高频振动效应增加了(Si)相的孪晶生长几率,导致大量交错孪晶(Si)相产生.由于超声降低了两相之间的界面能,共晶组织平行生长取向程度升高,同时其显微硬度显著提高.     

晶种诱导长柱状晶生长规律与高韧性氧化铝陶瓷材料

研究了晶种引入和烧结方式对氧化铝长柱状晶粒生长和氧化铝陶瓷断裂韧性的影响. 实验以氢氧化铝为初始原料, 通过湿法球磨把高纯氧化铝磨球的磨屑作为晶种引入到氢氧化铝粉料中, 使氢氧化铝粉在较低温度锻烧转相为α相氧化铝. 研究发现这种转相后的α相氧化铝粉(含有晶种)经热压烧结可获得长柱状晶显微结构, 并且Al₂O₃晶粒形貌随晶种的引入量的不同而发生变化, 而无压烧结Al₂O₃晶粒主要呈等轴状. 具有长柱状α-Al₂O₃晶粒的微观结构可显著提高氧化铝材料的断裂韧性. 在40 MPa热压烧结(1600℃×2 h)的试样, 断裂韧性达到7.10 MPa·m^1/2, 比普通的氧化铝陶瓷断裂韧性提高1倍, 并且抗弯强度也高达630 MPa.     

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...     

包晶凝固的形态与相选择

在考虑包晶凝固两相生长竞争的基础上, 结合单相凝固数值模型所建立的界面响应函数, 应用最高界面生长温度判据, 对包晶凝固的形态与相选择规律进行了分析, 与实验结果吻合较好.     

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.     

非晶态合金晶化过程的高精度电阻监测研究

发展了一种高精度四线交流电阻测试设备，原位监测Ｎｉ８０Ｐ２０，ＦｅＺｒ２和Ｆｅ８６Ｂ１４非晶合金的晶化动力学过程。结果表明这种方法可以发现非晶合金早期晶化过程，测试出的晶化温度范围明显宽于ＤＳＣ方法，能够更加灵敏地反映晶化过程的信息，这种方法还能够临别共晶型和多形型晶化中的形核和长大过程，而对于初晶型晶化过程电阻测试亦反映了初晶相的形核信息。     

利用轴电子通道统计法测定杂质原子的占位

根据电子衍射多束动力学原理，分别计算了与入射电子束方向相关的γ相TiAl中Ti和Al位置的沿［100］、［110］和［011］的快电子概率密度. 在计算中考虑了吸收效应.计算和实验结果显示了在不同的晶带轴，或同一晶带轴的不同方向，电子通道效应有很大的差别. 因此在用轴电子通道统计法测定杂质原子占位的实验中，必须选择合适的晶带轴和电子束入射方向. 在实验前先进行模拟计算是一个可取的方法.     

快速凝固过程中的多定态与非晶转变

注意到非晶转变实际上是在严重的非平衡凝固条件下发生的一种物理现象，运用非线性理论分析了快速凝固条件下的非晶转变的动力学过程，并建立了非晶转变的分支理论模型，结果表明：由于冷却条件严重的非平衡性及凝固速度与凝固温度之间的非线性耦合，在快速凝固条件下，凝固纱可产生多定态现象，而这种多定态现象可以被理解为非晶转变，该交好地解释发生非晶转变时的实验特点，并能预测金属及合金形成非晶的临界冷却速度及非晶转变点