定向凝固Al_2O_3/YAG共晶自生复合材料的组织形态及非规则共晶生长

采用激光区熔定向凝固技术制备了Al_2O_3/Y_3Al_5O_(12)(YAG)共晶自生复合材料.利用SEM,XRD,EDS及TEM对共晶形貌特征、相组成、界面结构.组织演化及相析出规律进行了研究;利用分形维数对非规则微观组织形态进行了定量表征.在此基础上,分析讨论了氧化物共晶的非规则共晶生长机制.结果表明:Al_2O_3/YAG共晶自生复合材料由无规则均匀分布的Al_2O_3和YAG两相组成,两相之间相互交错,耦合生长,呈象形文字结构;凝固过程中,YAG相作为领先相析出;随扫描速率增大,共晶间距高度细化,最小层间距为0.2μm;在低扫描速率下,共晶组织属典型的层片状非规则共晶组织,具有明显的分形特征,当扫描速率达到2000μm/s时,出现胞状和树枝状组织,组织分形特征减弱;共晶两相高的熔化熵及激光快速凝固大的动力学过冷导致的小平面/小平面共晶生长是形成复杂非规则共晶组织的主要原因.

深过冷Ni_(80.3)B_(19.7)合金的再辉和非规则共晶的形成

采用熔融玻璃净化结合气体保护的方法,使Ni80.3B19.7过共晶合金获得了407K的大过冷度,研究了其在不同过冷度下快速凝固过程中的再辉行为.结果表明,Ni80.3B19.7过共晶合金在0-112K过冷度范围内无明显再辉,在112-323K过冷度范围内,其再辉曲线表现为两个再辉峰,而在323-407K过冷度范围内,其再辉曲线为一个再辉峰.初生固相含量的随着过冷度的增大而增大,导致一次再辉度随着过冷度的增大而增大.深过冷Ni80.3B197合金凝固组织中非规则共晶的形成,归因于共晶两相在快速凝固阶段以自由枝晶的形式进行的非耦合生长和再辉后的慢速凝固阶段两相枝晶所发生的形态上的转变.

非规则共晶凝固理论研究的进展

通过各国学者数十年的不懈努力,现已建立了比较完善的规则共晶凝固理论模型,人们对共晶间距的选择机制及其形态转变有了较深刻的理解。有关非规则共晶凝固理论的研究工作虽有许多,但这些模型仍极不完善。本文中,在综合评述规则共晶凝固理论研究的基础上,着重阐述了近年来非规则共晶凝固理论的研究进展,提出了非规则共晶凝固理论研究的发展方向。

深过冷Fe_(82)B_(17)Si_1非规则共晶中Fe_2B相的形态演化

在63～342K过冷度范围内,对Fe_(82)B_(17)Si_1合金非规则共晶中Fe_2B相的生长形态演化进行了研究。发现:(1)在具有一次再辉的63～164K及255～342K过冷度范围内,随过冷度增加Fe_2B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_2B相由小平面转变为树枝状的过冷度过渡范围约为63～164K;(2)在具有两次再辉的174～247K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312～342K过冷度范围内,该合金非规则共晶中的Fe_2B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。

非规则共晶定向凝固结构的标度律

数值求解了Al-Si共晶定向凝固耦合方程,讨论了凝固界面形态作为共晶相间距函数的变化规律共晶凝固界面临界分叉态对应于边缘稳定点和界面位置的极大值点。α-液相界面临界分叉是局域规则层状结构相间距选择点。

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(△T)的演化规律进行了研究．发现当△T<65 K时,凝固组织为规则层片状共晶或羽毛状共晶．△T>65 K时,非规则共晶在凝固组织中出现,随△T的增大,非规则共晶体积分数逐渐增大,并在△T>140 K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．

深过冷Ni-Sn合金非规则共晶的形成机制

采用熔融玻璃净化配合循环过热使Ni-32．5％Sn(质量分数)共晶合金实现了深过冷快速凝固．当过冷度大于某一临界值时,非规则共晶在凝固组织中出现．随着过冷度的提高,最终得到完全的非规则共晶组织．通过分析Ni-Sn共晶合金中各相形核、生长、以及枝晶熔断机制随过冷度的变化,解释了非规则共晶的形成机制．在深过冷条件下熔体中初生相率先形核并长入过冷熔体中,形成枝晶骨架,再辉重熔后次生相从残余熔体中析出并包围初生相,形成非规则共晶．

熔体混合金锡共晶合金非规则共晶组织的形成

采用高低温熔体混合凝固处理,研究了不同高温液相温度380,390和400℃(低温液相温度均为274℃)条件下,金锡共晶合金凝固组织演变规律及非规则共晶组织的形成。研究表明:熔体混合可有效地改变金锡共晶合金的凝固组织结构,随着高温液相温度的提高,合金的凝固组织可以从常规层片状组织转变为块球状的非规则共晶组织,熔体混合金锡共晶合金中非规则共晶组织的形成机制为枝晶熔断机制。

采用元胞自动机法模拟二元规则共晶生长

基于元胞自动机方法,建立了二元规则共晶生长的数值模拟模型.该模型耦合宏观温度场,考虑了溶质扩散、成分过冷以及曲率过冷等重要因素,实现了二元规则共晶的稳态层片生长.以共晶模型合金为对象,研究了定向凝固条件下不同过冷度、初始层片间距、温度梯度及凝固速率对共晶两相生长形貌及层片间距的影响,再现了两相在溶质扩散及界面能的相互作用下通过形核、分岔、湮没及合并等机理实现共晶层片间距的调整.模拟得到的结果与Jackson-Hunt模型及前人实验结果规律一致.将模型扩展到三维系统,验证了二元规则共晶生长三维模拟的可行性.

共晶合金凝固理论的研究进展

综述了近年来规则共晶和非规则反常共晶转变的理论和实验的研究进展。对于规则共晶的形成的研究已趋于成熟,建立了能较好预测实验结果的理论模型;对于非规则反常共晶的形成,目前已获得大量的实验数据,涵盖生长方式,生长速率,生长形态,空间分布和组织粗化等行为,但在模型描述和预测仍不完善,形成机理仍存争议。然而,由于实际工业合金成分的复杂性,共晶凝固理论至今实际应用仍偏少。因而,如何通过实验和理论研究相结合,将共晶点成分理论松弛到整幅相图范围,二元合金凝固理论拓展到多元合金体系,将理论与最新技术条件相结合应用到工业生产中,仍是凝固理论研究的努力方向。

Fe-Ni-P-B共晶合金的深过冷凝固组织演化

采用玻璃熔覆法使Fe-Ni-P-B共晶合金在不同过冷度条件下凝固,研究了其组织随过冷度的演化规律。结果表明,随着过冷度的增加,凝固组织形态逐渐从棒状规则共晶向不规则的粒状共晶组织转化。当T<35 K时,棒状规则共晶组织随过冷度增加而逐渐细化;当35 K<T<150 K时,凝固组织由团状非规则共晶与棒状规则共晶构成,且随着过冷度增加非规则共晶逐渐增多,规则共晶组织减少,共晶间距增大;当T>150 K时,获得完全非规则共晶组织。应用Jackson-Hunt共晶生长模型和枝晶熔断理论,对Fe-Ni-P-B共晶合金凝固组织形成机制进行了分析讨论。

高温度梯度定向凝固下Ni-NbC合金的组织演化

在温度梯度300K/cm和定向凝固速率5-20μm/s下,Ni-10.6wt%NbC合金以平界面方式凝固,当凝固速率达到50μm/s时,合金凝固组织中出现共晶胞状组织。随定向凝固速率的增大,三叶状和点状形态的NbC相向条状NbC相过渡。当定向凝固速率从2μm/s跃迁变化到10μm/s时,Ni-10.6wt%NbC合金凝固组织仍然以规则共晶生长;而跃迁变化到50和100μm/s时,出现起伏较大的共晶胞状组织和初生相Ni枝晶的生长。另外采用速率跃迁变化可以细化恒定定向凝固速率下的组织,组织的细化是通过NbC相重新成核,使纤维间距减少进行的。

凝固速率对Nb-Ti-Si基合金整体定向凝固组织及固/液界面形态的影响

在2050℃的熔体温度下,在自行研制的定向凝固炉内实现了Nb-Ti-Si-Cr-Hf-Al-B-Y超高温合金的有坩埚整体定向凝固.采用XRD,SEM,EDS等方法分析了凝固速率分别为2.5,5,10,20,50和100μm/s时的整体定向凝固组织、组成相的择优取向及固/液界面形貌,并讨论了其共晶生长机制.结果表明:合金的定向凝固组织主要由沿着试棒轴向排列的横截面为多边形的柱状初生(Nb,X)_5Si_3(X=Ti,Hf,Cr)相与耦合生长的层片状Nbss/(Nb,X)_5Si_3共晶团(Nbss表示铌基固溶体)组成.横截面上共晶胞界明显.当凝固速率由2.5μm/s变化到100μm/s时,定向凝固组织细化,固/液界面经历粗胞状→细胞状→胞枝的演化过程.Nbss/(Nb,X)_5Si_3共晶两相较低的熔化熵及其前沿较大的动力学过冷度是形成规则共晶的主要原因.

定向凝固Nb-Ti-Si基超高温合金的组织与室温条件断裂韧性

采用真空自耗电弧熔炼法制备了Nb-Ti-Si基超高温合金的母合金锭,在2050℃的熔体温度下实现了合金的有坩埚整体定向凝固。测定了电弧熔炼态与定向凝固试样的室温条件断裂韧性,采用SEM,EDS等方法分析了凝固速率V分别为10,20和50μm/s的整体定向凝固组织、单边切口梁弯曲试样的断口形貌及裂纹扩展路径,并讨论了其断裂机理。结果表明:合金的整体定向凝固组织主要由沿着试棒轴向挺直排列的横截面为多边形的初生(Nb,X)5Si3(X代表Ti,Hf和Cr元素)棒与耦合生长的层片状Nbss/(Nb,X)5Si3共晶团(Nbss表示铌基固溶体)组成。整体定向凝固显著提高合金的室温条件断裂韧性KQ,且V=50μm/s时的KQ最高,达16.1MPa·m1/2,较电弧熔炼态试样的KQ提高了50.5%。定向凝固试样中Nbss与(Nb,X)5Si3沿垂直于受力方向的定向排列以及粗糙的Nbss产生的裂纹桥接和偏转,增大了裂纹扩展阻力,从而提高了合金的室温条件断裂韧性。