亚偏晶Cu-Pb合金的深过冷快速凝固

用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法,研究了亚偏晶Cu-Pb合金过冷熔体凝固组织演化规律。研究表明:在试验过冷度10～302K的范围内,其凝固组织形态经历了两次变化过程:第一次是在10～207K过冷度范围,由粗大的枝晶重熔形成了第一类粒状晶;第二次发生在207～302K过冷度区间,合金组织中的第一类粒状晶转变为高度细化的细枝晶,组织因细枝晶再结晶向准球状晶粒转变。

Cu-Pb过偏晶合金颗粒生长和Ostwald熟化的相场法模拟

采用计算效率和计算精度较高的Fourier变换谱分析方法求解Cahn-Hilliard相场方程,并耦合热力学数据,对Cu-Pb过偏晶合金在等温情况下液相分离过程中的颗粒生长和Ostwald熟化进行了模拟研究.结果表明,合金体系中两液相区中的第二相颗粒生长和Ostwald熟化过程可以通过调节能量梯度系数和迁移率系数实现.在过饱和基体中第二相单个颗粒生长的计算结果表明,颗粒生长的扩散过程主要是系统自由能作用的结果,能量梯度系数γ对颗粒与基体之间的浓度梯度起调节作用.随着γ的减小,两液相之间的浓度梯度增大,颗粒轮廓线的斜率增加.颗粒半径的生长速率与经典的Zener理论良好吻合.模拟了Cu-Pb过偏晶合金不混溶区析出第二相颗粒半径的分布情况,随着粗化过程的进行,归一化颗粒半径的尺寸分布峰值由初始的小于平均尺寸逐渐向平均尺寸靠近,且最终超过平均尺寸.

微重力电磁模拟过偏晶Cu-Pb合金的凝固

利用微重力电磁模拟的方法 ,对过偏晶Cu 40Pb合金熔体的凝固进行了试验研究。研究表明 :在模拟微重力的环境下 ,施加的电磁力可使合金熔体在不混溶区内获得准失重状态 ,抑制了合金熔体中L2 (Pb)相产生的Stockes沉积效应 ,在凝固组织中得到熟化后粗大的α(Cu)枝晶 ,S(Pb)相分布在α(Cu)枝晶间 ,从而消除了该合金在凝固过程中出现的重力偏析现象。

定向凝固Cu-Pb偏晶合金摩擦磨损性能的研究

通过定向凝固制备了Cu-Pb偏晶合金试样,并分别进行了无润滑和油润滑条件下的摩擦磨损实验。结果表明:干摩擦条件下定向凝固Cu-Pb金属基自润滑复合材料的摩擦系数随铅含量的增加而下降,减摩自润滑效果逐渐提高。铜铅自润滑材料在含油的状态下,形成了一种复合润滑体制,具有很强的吸油能力,能形成高效能的胶体油铅混合液态薄膜。由于摩擦接触表面间油膜的存在,减轻了微凸凹体的接触及表面间元素传递过程,降低了摩擦系数。由于定向凝固工艺方法使得第二相更加均匀,因此该方法制备的铜铅自润滑材料普遍比熔铸方法制备的铜铅自润滑材料在油润滑状态下的摩擦系数要低。

过冷Cu-Pb偏晶合金的凝固热力学分析

采用熔融玻璃净化和循环过热相结合的方法实验研究了Cu-34.15%Pb偏晶合金在0～204K的宽过冷度区间的冷却曲线.实验结果表明,Cu-34.15%Pb偏晶合金在较小过冷时只有一次再辉,较大过冷时有两次再辉,偏晶反应中液相L2恒为初生相.根据经典形核理论和冷却曲线讨论了偏晶合金的两相竞争形核规律,并推断出Cu-Pb合金偏晶反应中液液相变焓△HL的取值范围为5×108～1.8375×109J·m-3.研究发现,△HL的大小对于偏晶反应中的α相和L2相的两相竞争形核起着至关重要的作用,需要精确地测定.

Cu-10%Pb亚偏晶合金的急冷快速凝固研究

采用急冷快速凝固试验装置研究了Cu-10wt%Pb亚偏晶合金的快速凝固和晶体生长特性,理论分析了合金的冷却速率与组织形态之间的相关规律。研究结果表明,在急冷快速凝固条件下,Cu-10%Pb亚偏晶合金中的(Cu)相以枝晶方式生长,富Pb相或以方块状弥散分布于枝晶内部,或呈网状分布于枝晶间隙。随冷却速率增大,形核率明显增大,凝固组织显著细化,其均匀性大幅度提高,组织形态由粗大枝晶向细小等轴晶转变。

相场法模拟Marangoni对流对Cu-Pb过偏晶合金组织演化的影响

采用计算效率和计算精度较高的Fourier变换谱分析方法求解Cahn-Hilliard相场方程,同时耦合Navier-Stokes方程计算了流动对Cu-Pb过偏晶合金的液相分离过程中液滴生长的影响。研究表明,在第二相液滴生长过程中由于受到温度场中温度梯度的作用,产生Marangoni运动,在Marangoni力的驱动下,液滴向温度高的区域发生移动,在随后的凝固过程中,由于不同半径的液滴之间受到Marangoni力的大小不同,移动速度也不同,导致各种半径大小的液滴之间发生碰撞,从而加速了液滴半径粗化的进程,使液滴半径尺寸沿着温度梯度方向逐渐增加。

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Cu20wt%Pb亚偏晶合金获得了208K的深过冷,在宽过冷范围内研究了CuPb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ΔT≤98K时,合金凝固组织为粗大枝晶α+枝晶间Pb相;当116K≤ΔT≤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ΔT≥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ΔT≥133K时试样出现裂纹。

深过冷Cu-20%Pb亚偏晶合金凝固组织的细化机制

采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法研究Cu～20%Pb亚偏晶合金的凝固组织,用BCT-LKT枝晶生长模型对深过冷凝固过程的热力学参数进行了计算,分析了过冷Cu-20%Pb亚偏晶合金的凝固机制.结果表明,在低过冷度下,Cu-20%Pb亚偏晶合金凝固组织由粗大的Cu枝晶和Pb相组成.随着过冷度的增大,Cu枝晶和Pb相细化,Pb相分布均匀.但在不同的过冷度范围,凝固组织细化机制不同.过冷度小于200K时,快速凝固阶段结晶潜热集中释放造成的温度回升引起枝晶大量重熔是枝晶细化的主要因素;过冷度大于200K时,枝晶高速生长导致枝晶各部位的不均匀收缩及枝晶骨架间液相的高速流动会使枝晶受力产生碎断,枝晶重熔和枝晶碎断共同作用使得枝晶发生细化.

深过冷Cu-20%Pb亚偏晶合金的再辉与形核分析

采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法研究Cu-20％Pb亚偏晶合金的再辉行为，利用经典形核理论与瞬态形核理论计算讨论偏晶合金的两相竞争形核规律。结果表明，在过冷度0～238K范围内，凝固过程出现两次再辉。一次再辉由α（Cu）相的形核和生长引起，二次再辉由偏晶反应引起。过冷亚偏晶Cu-20％Pb合金凝固过程中，α（Cu）相恒先形核，即匀晶转变先于偏晶反应发生。

第三组元对过冷Cu-Pb偏晶合金凝固组织均质化的影响

第三组元的的加入可有效地抑制过冷熔中第二相在不混溶区内体积分数的增加,并且随着第三组元含量的增加,均质化过冷度区间加大,利用深过冷的方法通过第三组元的加入对Cu-Pb偏晶合金的均质化凝固进行了初步的探讨。

强磁场作用下偏晶合金取向凝固组织的形成

研究了强磁场对Fe-49Sn和Cu-40Pb偏晶合金凝固组织的取向作用。研究结果表明,在强磁场作用下,Fe-49Sn和Cu-40Pb偏晶合金都形成具有一定取向的凝固组织。施加10T强磁场后,α-Fe晶体的磁各向异性和α-Fe枝晶的择优取向促使了Fe-49Sn偏晶合金形成沿平行磁场方向取向排列的富Fe相枝晶凝固组织,α-Fe的(110)晶面衍射强度明显增强;在12T强磁场作用下,强磁场对富Pb相小液滴运动及凝固前沿熔体流动的抑制作用,促使Cu-40Pb偏晶合金试样中心形成较长的规则排列的富Pb相棒状组织。

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.

快速凝固Cu-Pb过偏晶合金的性能表征

研究了Cu-Pb过偏晶合金的急冷快速凝固组织特征,定量表征了快速凝固Cu-Pb过偏晶合金的电阻率和力学性能,理论分析了冷却速率和组织形态对合金性能的影响规律.研究结果表明,在急冷快速凝固条件下,Cu-Pb过偏晶合金中的(Cu)相和(Pb)相均以枝晶方式生长,晶体形态以均匀细小的等轴晶为特征.随着冷却速率增大,一方面,凝固组织显著细化,晶界增多,对自由电子的散射作用增强,合金电阻率显著增大;另一方面,细晶强化作用增强,合金的抗拉强度呈线性升高,同时,伴随着晶体缺陷数量的增多,合金的伸长率降低.

电磁复合场对Cu-Pb偏晶合金组织和性能的影响

制备了不同工艺条件下的Cu-37.4Pb偏晶合金,分析偏晶合金的组织结构和相组成,并研究了合金的摩擦磨损性能。结果表明,常规条件下制备的Cu-37.4Pb偏晶合金,主要由α-Cu、β-Pb以及偏析严重的Pb相组成,晶粒粗大,组织均匀性差;在强脉冲电流场下制备的偏晶合金,偏析严重的Pb相由块状变成较粗的短杆状且分布均匀。微重力电磁场制备的偏晶合金,块状的Pb变成稀疏分布的长条状,组织均匀性好,晶粒粗大。在强脉冲电流和微重力复合场下制备的偏晶合金的组织主要由α-Cu和β-Pb两相组成,晶粒呈等轴状,组织均匀性最好。摩擦磨损试验表明,复合场下制备的Cu-37.4Pb偏晶合金具有更小的摩擦因数和更低的磨损量,耐磨性能最好。

电磁模拟微重力+电脉冲复合场作用下Cu-20Pb亚偏晶合金的组织与性能

在常规和电磁模拟微重力+电脉冲复合场作用下分别制备Cu-20Pb亚偏晶合金,对合金的显微组织、显微硬度、耐磨性能进行分析。结果表明,Cu-20Pb亚偏晶合金由基体α-Cu和基体间的组织β-Pb组成,常规条件下制备的亚偏晶合金基体上存在偏析组织,枝晶较粗,晶粒尺寸大,组织均匀性差;复合场下的亚偏晶合金基体上的偏析组织得到抑制,枝晶变得细小致密,晶粒尺寸减小了70.1%,组织均匀性好。显微硬度测试表明,经复合场处理后Cu-20Pb亚偏晶合金显微硬度得到提高,平均显微硬度提高了29.68%。摩擦磨损试验表明,复合场下制备的Cu-20Pb亚偏晶合金拥有更低的摩擦因数和磨损量,合金的耐磨性能得到提高。

强脉冲电流对Cu-20Pb亚偏晶合金组织和性能的影响

在不同的强脉冲峰值电流作用下制备Cu-20Pb亚偏晶合金,分析合金的显微组织和物相组成,研究合金的显微硬度和耐磨性能。结果表明,Cu-20Pb亚偏晶合金由基体α-Cu和基体α-Cu之间的Pb相组成。脉冲峰值电流为0时,合金枝晶稀疏,晶粒较大,基体上存在偏析组织;峰值电流为1 500A时,合金的晶粒细小,组织均匀性好,合金的平均显微硬度(HV0.49)最大,为58.04,与0时的合金相比提高了28.58%;脉冲峰值电流在0～1 500A时,随着脉冲峰值电流的增大晶粒细化,平均显微硬度随着脉冲峰值电流的增加而增大;峰值电流由1 500A增到2 000A时,晶粒变大,平均显微硬度降低。摩擦试验结果表明,脉冲峰值电流在1 500A时合金摩擦性能最佳。

深过冷对Cu-20Pb亚偏晶合金组织和性能的影响

在常规条件和深过冷条件下分别制备Cu-20Pb亚偏晶合金,分析偏晶合金的组织结构和相组成,并研究了合金的摩擦磨损性能和显微硬度。结果表明,常规条件下制备的偏晶合金,主要由基体α-Cu和β-Pb相组成,组织均匀性差;深过冷处理后,偏析情况得到改善,组织致密、晶粒细小。摩擦磨损试验表明,深过冷处理后Cu-20Pb亚偏晶合金摩擦因数和磨损量均得到降低,耐磨性能良好。显微硬度测试表明,深过冷下Cu-20Pb亚偏晶合金的硬度(HV_(0.49))增至57.02,相比常规条件下的合金提高了24.15%。

强磁场对Cu-80%Pb过偏晶合金中富Cu颗粒迁移行为的影响

将含有大量富Cu颗粒的Cu-80%Pb(质量分数)过偏晶合金在强磁场作用下进行不同温度的保温实验,研究了富Cu颗粒在液固混合区的迁移行为.结果表明,无磁场作用时,富Cu颗粒在800℃以上出现迁移而上浮,900℃以上在试样顶部形成致密的富Cu分层,颗粒尺寸及迁移速率随温度升高而增加;富Cu颗粒在迁移过程中可通过热化长大或合并,其机制与富Cu液滴不同;富Cu颗粒群整体向上迁移,颗粒区与枝晶区有明显边界,颗粒间相互作用可使其迁移速率降低.强磁场具有降低颗粒迁移速度,抑制颗粒熟化及合并的作用,降低了富Cu颗粒的偏析程度,抑制致密富Cu分层的形成.考虑颗粒间相互作用,对有无磁场作用下颗粒所受的作用力和运动终端速度进行了分析和计算.