模拟定向凝固生长速率对杆形Mn-Bi合金共晶间距的影响

为了深入了解定向凝固过程生长速率对杆形Mn Bi合金共晶间距的影响,开展了试验和数值模拟研究工作,以期初步明确在地球上试验得到的杆形共晶间距和在外层空间(航天飞机上)同样试验条件下得到的杆形共晶间距发生变化这样一个事实的机理。在杆形MnBi共晶相和Bi基体生长前沿,用传质方程计算了Mn在合金液中的浓度场,得到了液、固两相间台式界面前沿Mn的等浓度曲线,进而依据Jackson Hunt研究的理论模型计算出杆形共晶间距。试验和数值模拟的结果显示,规则生长时,随着Peclet数Λ的不断增加,杆形共晶间距逐渐减少,试验与模拟的结果吻合良好。Λ数还可在将来被用来模拟计算该合金凝固时非规则生长时的情况。

生长速度对Al/Al_3Ni定向共晶微观组织的影响

研究了当固／液界面前沿液相中的温度梯度为45K·cm－1，定向凝固Al－59．5mg·g－1Ni的生长速度与组织及共晶间距选择范围的关系．实验表明；随着生长速度增加，A13Ni在Al基体中的形态逐渐由断裂片层状向律状转变.实验发现其共晶间距满足以下关系：λ_(max)~1.85V=101.1μm^2.85s-1;λ_ave^1.93V=46.1μm^2.93s-1;λ_min^1.86V=10.7μm^2.86最小间距与J-H模型所预测的极值间距λ_(max)~1.85V=λ_ext^2V=16.7μm3.

探究二元共晶的生长过程：实时原位观察、数值模拟与解析解研究

由定向凝固法在一定凝固速度范围内制备得到的共晶通常为层状或棒状结构共晶。层状和棒状二元共晶合金具有优良的物理、化学和力学性能,被广泛应用于航空航天和汽车等领域,应用前景广阔。值得指出的是共晶合金已被应用于飞机发动机的涡轮叶片。近几十年来,国内外研究人员已经从共晶生长的实时原位观察实验、数值模拟和解析解计算三个方面展开了大量研究。共晶间距对共晶合金的性能具有显著影响,进而影响共晶合金在实际中的应用。在共晶生长过程中,工艺参数如凝固速度、共晶成分、固相体积分数、温度梯度、合金的初始浓度等是共晶间距的重要影响因素。此外,共晶形貌受共晶生长的稳定性和相界各向异性的影响。因此,研究人员在进行共晶生长的实时原位观察实验、数值模拟和解析解计算时主要关注工艺参数对共晶间距和共晶形貌的影响规律。大量的实时原位观察实验和数值模拟的研究结果表明,当凝固速度和合金的初始浓度增大时,层状共晶或棒状共晶间距减小。共晶成分发生变化时,共晶结构在层状和棒状之间发生转变。此外,共晶结构的转变条件依赖于α和β固相体积分数,当α和β两固相体积分数相差较大时,共晶倾向于形成棒状结构。当α和β两固相体积分数相接近时,共晶倾向于形成层状结构。同时,研究人员已经建立了共晶生长的数学模型并使用数学方法计算获得了共晶生长的解析解,进而研究了工艺参数对界面形貌和临界共晶间距的影响规律。本文从定向凝固条件下层状共晶和棒状共晶生长的实时原位观察的实验研究、数值模拟和解析解计算三方面分别阐述了工艺参数对共晶间距和共晶形貌的影响规律;重点阐述了在层状共晶和棒状共晶生长过程中,工艺参数如凝固速度、共晶成分和固相体积分数对共晶间距的影响规律;概述了相界的各向异性及共晶生长的稳定性对共晶形貌的影响规律。此外,对一种特殊的二元棒状共晶生长的实时原位观察和解析解计算进行了介绍,指出了目前该研究领域存在的一些问题,并对未来的研究工作进行了展望。

超重力对铅锡共晶凝固组织的影响

采用臂长为1．3m的离心机实现1、5、10、15g（1g=9．8m·s-2）四个重力水平；利用Bridgman法使Ph－Sn共晶单向凝固，以观察重力对凝固组织的影响结果表明，随重力水平的提高，共晶晶团尺寸减小，而共晶相间距不变。

定向凝固Al-40%Cu共晶合金的组织特性

利用垂直Bridgman法结合液态金属冷却法在恒定的液相温度梯度(GL=250 K/cm),凝固速率由2μm/s到490μm/s之间对Al-40%Cu合金进行定向凝固实验。结果表明:Al-40%Cu合金在低速下组织为全耦合的片层共晶结构,但当速率增加时,合金组织中出现一定量的初生Al2Cu相,凝固速率对合金共晶片层间距的影响通过实验结果分析。在实验的定向凝固速率范围内,发现平界面和胞状界面生长的两种共晶界面形态,并且不管是在哪种共晶界面形态下,共晶层片间距和凝固速率的关系都符合函数关系:λ2ν=常数,利用JH模型计算得到常数C的值为12.85μm3/s。

旋转磁场驱使强迫流对Sn-Bi合金微观结构的影响

以Sn-Bi合金为研究对象,分析了旋转磁场对凝固组织的影响.发现旋转磁场能够消除宏观偏析、碎断枝晶和细化凝固组织,加快了熔体流动和固-液界面溶质的扩散速度,使共晶组织的层片间距变小及形成区域差别.同时,随着磁场旋转频率的增大,合金的生长形态经历了从枝晶→等轴晶→球状晶→枝晶的转变.枝晶碎断、生长形态的改变以及共晶组织层片间距变化的主要原因在于,旋转磁场加快了熔体流动,造成熔体中溶质场和温度场在分布上趋于均匀化.同时,电导率的不同造成了初生相与液体的相对运动.宏观偏析的消除是由于初生相同时受到重力、浮力和Lorentz力的合力作用的结果.分析了旋转磁场对凝固组织改变的物理机制.

Al-Si共晶相间距对生长速度突变的响应

实验考察了强制条件下 Al-Si 共晶相间距对生长速度突变的响应。实验表明这种响应是滞后和连续的,响应机制是共晶 Si 相的“成簇分枝”延伸和终止,响应过程由液相组分扩散和共晶相晶体学各向异性效应决定。实验证明了共晶稳态生长位置的唯一性。相应的理论分析引入一个描述共晶相晶体学各向异性效应的参量。计算结果同实验测量相吻合。

抽拉速度对SCN-DC共晶生长形貌的影响

本文采用类金属透明模型合金丁二腈-23.6 wt%樟脑(SCN-23.6 wt%DC)合金,研究了棒状共晶定向凝固组织的演化行为,考察了抽拉速度对棒状共晶合金组织形貌演化的影响规律.结果表明,在共晶生长初期,共晶组织首先起源于晶粒晶界或者试样盒型壁处,随后沿液/固界面和平行于热流方向生长;在较小的抽拉速度(0.064—0.44μm/s)下,棒状共晶界面前沿呈现平界面形态,内部两相棒状组织平行生长,并且随着抽拉速度的增大,棒状共晶逐渐细化,棒状间距减小;而在较大的抽拉速度(0.67—1.56μm/s)下,共晶界面前沿呈现胞状生长形貌,胞内的棒状共晶呈放射状生长,同样,随着抽拉速度的增大,胞内棒状共晶逐渐细化,棒状间距减小.