金属/气体共晶定向凝固规则多孔金属的研究进展

金属/气体共晶定向凝固是一种制备规则多孔金属的新工艺。评述了该工艺的发展历程、原理和最新进展,同时介绍了由该工艺制备的规则多孔金属的结构和性能特点及其应用。

金属-气体共晶定向凝固工艺参数对藕状多孔金属镁结构的影响

利用自行开发的Gasar装置,成功制备了具有规则气孔分布的藕状多孔金属Mg,并研究了铸型预热温度和气体压力等工艺参数对气孔率、气孔大小和分布的影响。结果表明:提高铸型的预热温度可以完全消除铸锭侧向的无气孔金属壳;随着氢气压力的增大,铸锭的气孔率和气孔平均直径都在减小、气孔的尺寸分布均匀性提高。

金属-气体共晶定向凝固制备藕状多孔金属的研究

金属 气体共晶定向凝固 (Gasar)是一种制备规则多孔金属的新工艺。利用自行开发的Gasar装置 ,成功制备了具有规则气孔分布的藕状多孔金属Mg ,并研究了铸型预热温度和气体压力等工艺参数对气孔率、气孔大小和分布的影响。结果表明 :提高铸型预热温度可以完全消除无气孔金属壳 ;随着氢气压力的增大 ,铸锭的平均直径都在减小 ;在整个Gasar凝固中约有 8%左右的氢气溢出。

金属／气体共晶二维定向凝固放射状多孔Mg的结构特征

采用金属／气体共晶二维定向凝固法制备了放射状规则多孔金属Mg．通过建模分析了放射状规则多孔金属气孔分布(孔间距.孔径和孔数)的变化趋势,并论证了模型的合理性．从理论和实验两方面研究了凝固过程中气孔的中断、合并和新形核对各结构参数的影响．

定向凝固金属-气体共晶的研究进展

金属-气体共晶是由一个液相在凝固过程中同时生成一个固相和一个气相的反应,即Liquid→Solid+Gas。在定向凝固条件下,金属-气体共晶可以形成类似于棒状共晶的组织,即圆柱状气孔定向排列于金属基体中的藕状多孔结构。1993年乌克兰学者Shapovalov博士在美国申请的一项专利中提出了用这种定向凝固金属-气体共晶方法制备藕状多孔金属的新工艺。其后,美国、日本、英国等国纷纷开展了相关的研究。各种常见的金属被用来制备藕状多孔金属。2003年,清华大学的李言祥研究组在教育部博士点基金的资助下开始相关研究,2005年,昆明理工大学周荣教授获得科技部973前期研究专项的资助,两校开始合作研究。几年来,研究取得了积极的进展。本文从①金属-气体共晶定向凝固装备;②金属-气体共晶定向凝固理论;③金属-气体共晶定向凝固藕状多孔材料等几个方面,全面介绍定向凝固金属-气体共晶的研究进展以及我们自己的相关研究成果。

金属/氢共晶定向凝固制备GASAR多孔Cu-Cr合金

在0.6 MPa的纯氢气氛中,采用金属/氢共晶定向凝固技术,制备得到不同Cr含量的GASAR多孔Cu-xCr合金试样(x=0,0.3%,0.5%,0.8%,1.0%,1.3%(质量分数,%)),并研究了Cr含量对多孔Cu-xCr合金气孔率和气孔平均直径的影响规律。结果表明:随Cr含量的逐渐增大,氢在合金熔体中的溶解度相应增加,导致多孔Cu-xCr合金试样的气孔率缓慢增高;此外,随Cr含量的增加,受糊状区宽度变化的影响,气孔的平均直径呈先增大后减小的趋势。

固/气共晶定向凝固中的工艺判据

气体压力和熔体过热度决定熔体中气体溶解量从而直接影响多孔试样的气孔率．通过理论分析建立了固/气共晶定向凝固中气体逸出和藕状多孔结构形成所需的过热度和气体压力判据．以金属/氢共晶为例．计算结果表明,过热度和氩气分压均应有一适中的范围,给定氢气和氩气分压时,过热度应高于藕孔形成临界过热度而低于氢气逸出临界过热度;给定过热度和氢气分压时,氩气分压应高于氢气逸出临界氩气分压而低于藕孔形成临界氩气分压．该分析结果从藕状多孔Mg的实验结果得到了验证,可以作为高质量规则多孔材料实际制备过程的工艺参数指导原则．

强脉冲磁场中Al-Cu共晶定向凝固组织的演变

脉冲磁场作用于Al-Cu共晶凝固的界面,研究了定向凝固组织的演变.随着脉冲磁场强度的提高,Al-Cu共晶定向凝固组织经历了由规则柱晶到破碎枝晶、粗化枝晶到重新规则化柱晶三个演化阶段; 在重新规则化柱晶试样中,共晶片层间距减小,晶团间富铜相析出明显.将感生电势场与溶质扩散场相耦合, 分析了脉冲磁场对凝固界面稳定性的影响,发现强脉冲磁场在金属熔体引起感生电势场效应,在凝固界面前沿诱发具有振荡特征的电致迁移,从而促进晶间扩散和减小成分过冷区域.

两种典型Al-Cu及Ni-NbC共晶合金的定向凝固组织演化

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,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,凝固速率由5μm/s到100μm/s之间对Ni-11%NbC合金定向凝固。结果表明:Al-38%Cu合金定向凝固下的组织为耦合的片层共晶和少量的领先相的混合结构,随着凝固速率的逐步提高,共晶界面形态由平界面向胞界面转化,且领先相为非小晶面方式生长。Ni-11%NbC合金定向凝固下的组织为全耦合生长的棒状共晶,当凝固速率有一定幅度的提高时,平界面将会失稳。且初生相为典型的小平面生长方式。采用成分过冷理论计算这两种合金系的临界平界面速度,理论和实验较为符合。

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。

熔体流动对Mg-H共晶二维定向凝固的影响

利用金属/气体共晶二维定向凝固的方法制备出放射状多孔金属.凝固过程中,气孔的生成使熔体体积膨胀,从而导致凝固界面前沿出现剧烈的熔体流动.Mg-H系实验结果显示,横向对流会影响气孔的生长方向,促进气泡逸出以及降低气孔分布的均匀性.通过合理的铸型结构设计以及选择适当的工艺参数,可以将剧烈而有害的横向对流限制至一个较低的程度,从而制得高质量的气孔均匀分布的放射状多孔镁.

铝铜共晶合金连续定向凝固自生复合材料的组织与性能

本文采用自制的连续定向凝固装置,考察了Al—Cu共晶合金的组织形貌与抗拉强度与生长速度的关系。研究表明,Al—33.7％Cu合金的微观组织随着生长速度增大,由不规则片状组织逐步向规则片状组织,胞状组织转变,其片间距与生长速度的1/2次幂呈线性关系。连续定向凝固铸绽的抗拉强度远高于金属型试样,并与生长速度的1/4次幂呈线性变化。文章还讨论了共晶合金由规则片状组织向胞状组织转变的条件。

定向凝固金属间化合物的研究进展

金属间化合物具有高熔点、高强度、良好的抗氧化和耐腐蚀等性能,被广泛应用于航空航天、能源动力、冶金工程等方面,然而金属间化合物的室温脆性限制了其发展及应用。目前常采用热处理、合金化、机械合金化等技术手段解决金属间化合物室温脆性的问题。其中,采用定向凝固技术制备的共晶自生复合材料受到了广泛的关注,该技术通过控制凝固参数,改变材料组织和相组成来提高材料性能。本文介绍了Ni-Al系、Ti-Al系、Nb-Si系、Fe-Al系几种常见金属间化合物,简述了几种常见金属间化合物的性能及特点,总结了定向凝固Ni-Al系、Ti-Al系、Nb-Si系、Fe-Al系金属间化合物的组织特征、性能特点、应用情况,并展望了定向凝固金属间化合物未来的发展方向。

NiAl-Mo共晶复合材料定向凝固组织特性研究

采用定向凝固技术制备出两种不同成分的NiAl-Mo共晶复合材料,研究在不同抽拉速率下该合金的凝固组织特性。结果表明:46.59Ni-45.61Al-7.8Mo(at%,下同)合金在不同抽拉速率下都形成了亚共晶组织,初生的NiAl相呈树枝晶状,并且随着抽拉的进行,优先生长方向与热流方向不一致的枝晶被逐渐淘汰;随着抽拉速率的增加,NiAl相的枝晶间距也不断的减小。44.86Ni-46.3Al-9.01Mo合金在不同抽拉速率下皆形成以棒状Mo相镶嵌在NiAl基体中的共晶组织,随着抽拉速率的增加,Mo相的平均直径和平均棒间距有越来越小的趋势,在抽拉速率达到14mm/h以上时,Mo相由连续的、排列均匀的棒状变为断续的、排列不均匀的棒状。

定向凝固技术制备多孔铜及其力学性能

利用铜与氢在高温下发生的共晶反应,采取定向凝固的方法制备出孔隙率大于15%的多孔铜基材料,并研究了其显微组织和力学性能。结果表明:只有在高压力下发生的共晶反应才能制备出沿凝固方向生长的细长孔隙和沿垂直于凝固方向呈规则圆形分布的多孔材料,其抗拉强度较其它方法制备的高2～3倍,而且气孔的存在能较好地吸收弹性能。

金属多孔材料制备技术研究进展

传统的金属多孔材料的制备技术主要是粉末冶金和铸造、沉积技术。随着新材料、新技术的不断出现,金属多孔材料的制备已从最初的粉末冶金技术发展为自组装、流体沉积、电化学腐蚀、共晶定向凝固以及SHS等各种先进技术。本文重点阐述金属多孔材料制备技术的国内外研究现状和一些新的发展趋势。

Fe-Al金属间化合物的研究进展

概述了Fe-Al金属间化合物的基本特性,简述了几种改善Fe-Al金属间化合物脆性的常规方法。详细介绍了Fe-Al金属间化合物作为高温耐磨耐蚀涂层和高温气体净化多孔材料的研究新方向,以及借助先进的定向凝固技术制备Fe-Al-Ta金属基复合材料的研究新进展,指出了当前Fe-Al金属间化合物的研究领域存在的问题及今后的主要发展方向。

金属泡沫材料研究进展

综述了金属泡沫材料的各种制备方法。液相法制备金属泡沫材料包括气体吹入法、固体发泡剂法和固体气体共晶凝固法、熔模铸追法、渗流铸造法、喷射沉积法以及粉末加压熔化法等制备方法。釆用金属粉末烧结法、浆料发泡法等制备工艺可以从固相制备金属泡沫材料。电沉积法以及气相沉积法可用于制备高孔隙率的金属泡沫材料。最后简要总结了金属泡沫材料的应用。

NiAl-Re共晶定向凝固制备Re纳米丝的初步研究

纳米金属丝具有优越的敏感性、场发射效能、超强的记忆功能等特性,于是对它的研究便备受青睐。通过定向凝固NiAl-Re复相共晶,再结合选择性溶解或腐蚀的方法来制备Re纳米丝,即DSW技术。利用Bridgman定向凝固设备对NiAl-1.5at%Re共晶合金进行定向凝固,在约300K/cm的温度梯度条件下,通过改变凝固抽拉速率获得不同的NiAl-Re准共晶组织,研究分析了NiAl-Re共晶的显微结构、凝固速率与纤维相间距、纤维大小的相关性。发现随着凝固速率的增大,纤维相间距和纤维尺寸都逐渐减小,并且两者与凝固速率的平方满足良好的线性关系。使用HCl:H2O2的蒸馏水稀释溶液对NiAl基体进行选择性腐蚀,这一过程会形成对共晶体的各向异性腐蚀,在被腐蚀的表面上会出现直径为450～500nm、长度不一的铼纤维丝。腐蚀得到的Re纳米丝可望应用于纳米电极阵列中。

定向凝固Al-Y合金组织演化规律及小平面相生长 Ⅰ.Al-15%Y过共晶合金组织演化规律

对Al—15％Y（质量分数）过共晶合金在1～100μm／s的抽拉速率下进行定向凝固实验，研究抽拉速率对组织演化及Al3Y相生长规律的影响．结果表明，铸态Al—15％Y合金主要由Al3Y先析出相和Al3Y／Al共晶体组成．在定向凝固过程中，当抽拉速率为1um／s时，Al3Y相为不规则形状且边界清晰，为小平面的生长特性．随着抽拉速率的增加，Al3Y相的形貌逐渐转变为拉长的六棱柱形态，其中少量的Al3Y相具有中空形貌．当抽拉速率为10和20μm／s时，Al3Y相按粗大的六棱柱形态生长．进一步增加抽拉速率至100μm／s时，组织中出现“十”字形貌的Al3Y相，为2个六棱柱垂直交叉结构，类似枝晶的生长形式．在抽拉速率增加的过程中，固／液界面前沿逐渐出现领先相，且凝固速率越大，领先距离越长．