难混溶合金微滴中L_(2)相迁移动力学行为

基于传热模型,计算了直径分别为300、600和900μm的Fe-52%Cu合金微滴在自由凝固条件下的温度场分布,分析了温度梯度的变化及L_(2)相小球动力学特点。结果表明,合金微滴在相分离过程中其中心与表面温差较小(<5 K),而对于给定尺寸的微滴其径向方向上温度梯度却差异较大,但温度梯度值随时间成一次线性减小。通过理论计算,确定了小球在三种微滴内最大可迁移时间,分别是0.0206、0.07和0.141 s。此外,还比较了小球在三种微滴内的迁移距离,发现同尺寸小球在合金微滴内最大迁移距离与微滴半径之比为定值,r/R=0.4849,表明小球在合金微滴内的末态相对位置不依赖于微滴直径。这与目前大部分研究者对合金微滴直径影响核/壳结构形貌的观点有所不同。本研究不仅有助于理解核/壳型粉末的形成过程,同时为新材料设计奠定重要理论基础。

难混溶合金及其制备技术研究进展

综述了难混溶合金在微重力和地面条件下制取具有均匀弥散相结构的研究成果。指出了形核、生长 扩散 对流 /扩散、重力造成的沉积或上浮、相间界面能、Ostwald熟化、Marangoni运动、Brownian凝并、第二相含量和冷却速度等影响难混溶合金凝固的各种因素 ,分析了难混溶合金在定向凝固过程中从纤维型规则复合组织到规则排列的串状组织再到弥散分布粒子的组织演变现象。根据难混溶合金的凝固特点 ,介绍了粉末冶金法、定向凝固法、模拟微重力熔融铸造法、搅拌铸造法、快速凝固法等几种不同特点的制备技术。总结了密度动态法、分离粒子法、相场法等计算机组织模拟方法在难混溶合金方面的应用 ,同时指出了难混溶合金研究存在的问题和今后的研究方向。

Al-Bi难混溶合金快速连续凝固的实验研究

采用 Al-(3．4—15)%Bi(质量分数)难混溶合金进行了快速连续凝固实验,研究了 Bi 含量和凝固速率对快速连续凝固组织的影响．结果表明,少量富 Bi 相粒子尺寸随着 Bi 含量的增加而增大,提高凝固速率有助于制备少量富 Bi 相粒子均匀分布的难混溶合金．通过分析富 Bi 粒子尺寸分布,发现沿试样轴向和径向方向粒子平均直径变化不大,试样表层处粒子尺寸较小．研究表明,快速连续凝固是制备均质难混溶合金的有效途径．

Al基难混溶合金快速定向凝固研究 Ⅱ.恒定磁场的影响

在自制的具有磁场作用的快速定向凝固装置上,考察了磁场对Al-Bi难混溶合金凝固组织的影响,并从理论上分析了磁场对难混溶合金液-液相变过程中液滴形核、空间运动和碰撞凝并的影响．结果表明,在磁场作用下液滴的运动速度以及由运动导致液滴间碰撞凝并的概率得到有效降低;随着磁场强度的增加,合金组织中富Bi粒子平均尺寸减小,分布更弥散．

Al基难混溶合金快速定向凝固研究 Ⅲ.第三组元的影响

对Al-Bi基难混溶合金添加第三组元Si和Cu,揭示了Si和Cu含量对Al-Bi合金快速定向凝固组织的影响．结果表明,添加Si或Cu均使凝固组织中的富Bi粒子尺寸增大;在相同的实验条件下。元素Si比Cu更易使富Bi相粗化．分析了第三组元对二元合金体系的自由能、两液相间界面能和液相粘度的改变及其对合金凝固过程的影响,加深了对三元难混溶合金凝固特征的认识．

均质难混溶合金制备技术研究进展

概述了难混溶合金(偏晶合金)特殊的组织及性能,并对各种难混溶合金均质制备工艺进行了总结,介绍了几种新的难混溶合金均质制备方法。分析了传统制备工艺与新兴制备工艺的不同特点,并指出难混溶合金均质化制备技术今后的发展趋势。

Al基难混溶合金快速定向凝固研究 Ⅰ.固/液界面的影响

分析了难混溶合金凝固过程中作用在凝固界面前沿液滴上的力,建立了液滴与凝固界面相互作用行为的动力学判据．结合实验,探讨了固/液界面与液滴间相互作用对Al-Bi基难混溶合金凝固组织演变的影响．结果表明,在界面排斥和Marangoni力共同作用下。较小尺寸的富Bi液滴被凝固界面排斥并富积在凝固界面前沿．当凝固界面为枝晶/胞状晶时,临界尺寸的富Bi液滴与界面发生部分捕获,凝固后形成“蝌蚪”型的富Bi粒子;尺寸较小的富Bi液滴被捕获在枝晶/胞状晶间,凝固后富Bi粒子分布于晶界和三叉交角处．

Al-In难混溶合金的液相分离过程及显微组织数值模拟

建立了一个描述Al In难混溶合金冷却过程中液—液相变区微观组织演化过程的数学模型。该模型综合考虑了第二相液滴的形核、扩散长大、Brownian碰撞和运动碰撞的共同作用 ,并对模拟的结果进行了可视化动态模拟研究。以Al 3 0 %In合金为例进行模拟 ,结果表明 ,第二相在断面上的体积分数、粒子大小及分布与实验结果基本一致。这说明建立的模型对Al In难混溶合金具有一定实际预测功能。

冷却斜槽法制备均质Al-Bi系难混溶合金

高于互溶温度的难混溶合金流经一个冷却斜槽,最终被浇入水浴铜铸型,利用该冷却斜槽法成功制备了Al-Bi系均质难混溶合金,探讨了析出的富Bi液滴随金属熔体在斜槽上流动时的受力情况。结果表明,作用于富Bi液滴上的Ma-rangoni力、熔体粘滞力及熔体冲刷的力与重力相互作用并相互减弱抵消,大大降低了富Bi液滴的Stokes沉积和Marango-ni迁移运动,使得Al-Bi难混溶合金熔体在斜槽上不发生严重的宏观偏析。而且熔体从斜槽流过后,温度大为降低,在很大程度上降低了后续水浴铜铸型的冷却压力。

难混溶合金凝固过程中宏观偏析形成的数值模拟

基于分离粒子法,建立了一个模拟难混溶合金凝固过程中第二相宏观偏析形成过程的模型,此模型考虑了实际凝固过程中的诸多因素,包括形核,扩散长大,Ostwald熟化,Brownian碰撞以及运动碰撞的影响,对Al-30％In合金的模拟结果与实验结果吻合较好,反映了所建立模型较好的理论预测能力。

添加Ti对Al-Bi难混溶合金组织和性能的影响

难混溶合金在凝固过程中极易发生液-液相分离,造成第二相的宏观偏析,失去了合金的应用价值.本文将第三组元Ti添加到Al-Bi难混溶合金中,研究了Ti的添加对合金的凝固组织和性能的影响,探索了原位生成的金属间化合物的存在形式,分析了第二相Bi颗粒的分布.研究结果表明,凝固过程中原位生成的长针状Al_3Ti化合物,均匀分布在Al基体中,穿插在Bi相颗粒之间,阻碍了Bi相颗粒的沉降及凝并,防止了Bi相颗粒的碰撞及长大,制备了Bi相弥散分布在Al基体中的难混溶合金;同时弥散分布在基体中的硬质相Al_3Ti还增强了基体的强度,提高了合金的硬度,使合金表现出优异的耐磨性能.

Al-Bi-Sn-(Cu)难混溶合金颗粒的核壳组织

利用Al_(75)Bi_9Sn_(16)和(Al_(75)Bi_9Sn_(16))_(95)Cu_5难混溶合金,基于液相分离制备出了Al/Sn-Bi核壳型颗粒。采用SEM、EDS和DSC研究了颗粒的组织形貌、成分和相变行为。结果表明,合金颗粒以具有良好导电导热性的铝合金为内核、以Sn-Bi合金为壳层;添加Cu后,Cu主要存在于A1基内核中;Cu对壳层组织的Bi相有明显细化作用,含Cu合金颗粒壳层中Bi相尺寸仅为不含Cu合金的3/1;Cu的添加使Al_(75)Bi_9Sn_(16)合金的共晶反应和偏晶反应温度降低,而使液相分离温度增高。

微重力条件下难混溶合金的研究现状

综述了利用微重力的环境特点,制取难混溶合金的弥散相结构的有关实验结果,指出了微重力下难混溶合金今后研究的内容和方向。

Zr-Ce-Co-Cu难混溶合金的液-液相分离和双非晶相形成

在Zr-Ce二元稳态难混溶合金的基础上添加Co-Cu二元亚稳态难混溶合金,设计了四元(Zr_aCe_b)_(1-x)(Co_cCu_d)_x复合难混溶合金.通过热力学计算了Cu和Co在两分离液相中的分配系数,并利用OM,SEM,EDS,XRD和DTA等方法研究了相形成和组织演变的机制.结果表明,单一均匀的(Zr_aCe_b)_(1-x)(Co_cCu_d)_x合金熔体在凝固过程中发生液相分离,Co和Cu元素分别分布在富Zr和富Ce液相中,最终形成富Zr-Co和富Ce-Cu两液相.在快速凝固条件下,四元合金液-液分离形成的富Zr-Co和富Ce-Cu两液相分别发生玻璃转变,形成锆基和铈基两非晶相.实验研究与热力学分析相结合,揭示了Co与Cu原子比例和Co-Cu合金添加量以及冷却速率对双非晶相形成的影响,探索了由难混溶合金制备相分离非晶合金的方法.当Co与Cu原子比及添加量分别为4∶1和38.5%时,在熔体旋甩快速冷却条件下可以获得双相非晶合金.

Cu基亚稳难混溶合金液-液相变

通过气体雾化技术研究了Cu100-XFeX(X=15,20,30和40)合金的凝固行为.考虑少量相液滴形核、扩散长大、空间迁移、凝固界面与液滴间的相互作用以及体积分数等共同影响因素,建立了能描述该类合金凝固组织演变动力学模型.将数学模型与雾化液滴飞行过程中运动、传热和传质的控制方程相耦合,给出了数值求解方法,模拟计算了Cu基亚稳难混溶合金液-液相分离过程.结果表明:富Fe粒子的平均尺寸随着Fe含量的增加而增大;少量相液滴形核发生在基体熔体过饱和度峰值附近;随着冷却速度的增大,雾化液滴中少量相液滴的形核率增大,但平均半径减小;少量相液滴在Marangoni迁移和与固/液界面相互排斥共同作用下,向雾化液滴中心迁移,使雾化粉末最终形成壳型组织结构.

外加磁场在难混溶合金制备过程中的应用

阐述了在普通稳恒磁场、强磁场、交变磁场和复合电磁场等几种不同种类外加磁场作用下制备难混溶合金的研究现状,分析了不同外加磁场对难混溶合金凝固过程中液-液分离的作用机制及其对合金组织演变、性能的影响。针对重力作用下难混溶合金宏观偏析的主要原因是弥散相液滴进行Stokes运动和相互碰撞长大,指出了不同类型磁场在熔体中的电磁力特点与作用原理,对熔体对流和弥散相液滴运动、凝并行为的影响机制,以及对难混溶合金微观组织与性能的改善效果,并介绍了模拟微重力、组织取向等磁场下的一些特殊效应,为外加磁场在难混溶合金制备中的应用提供参考。

Al-Bi-Ce-Cu难混溶合金的凝固组织和耐磨性

研究了Al-Bi-Ce-Cu难混溶合金的凝固组织和耐磨性能。实验结果表明,添加Ce到Al-Bi合金中,原位生成的棒状化合物Bi2Ce作为异质形核质点,促进了Bi相的形核,所制备难混溶合金中富Bi相颗粒弥散分布。添加Cu到Al-Bi-Ce合金中生成了硬质相Al2Cu,硬质相增强了基体的硬度,进而提高了合金的耐磨性能,降低了合金的耐磨性系数。因此Al-Bi-Ce-Cu合金不仅具有富Bi相颗粒弥散分布的组织,同时还具有高的耐磨性能,有很强的实际应用价值。

Ti对Al-Bi-Sn难混溶合金凝固组织的影响

为解决Al-Bi-Sn难混溶合金易产生宏观偏析的问题,研究了添加Ti元素和提高冷速改善Al_(70)Bi_(15)Sn_(15)合金凝固组织的作用,分析了富Bi-Sn弥散相的形态、尺寸与宏观偏析。结果表明,随着凝固冷却速率提高,合金中的富Bi-Sn弥散相尺寸细化,宏观偏析减轻;添加Ti元素后,Al-Bi-Sn合金原位生成了棒状的硬质化合物Al_(3)Ti,在基体中交错分布,阻碍了Bi-Sn弥散相液滴的碰撞凝并,抑制其长大,液滴尺寸细化,且液滴形状由椭圆形转变为圆形。此外,Ti元素添加还降低了共晶组织凝固温度,同时弥散分布的硬质Al_(3)Ti金属化合物大幅提高了合金的硬度。

过偏晶合金快速凝固过程中第二相液滴在液-液相变区内的粗化

建立了一个描述快速冷却条件下偏晶合金在液－液相变区内的第二相液滴粗化的数学模型．该模型考虑了第二相液滴的形核、扩散长大以及 Ｂｒｏｗｎｉａｎ碰撞三者的共同作用模拟结果表明，第二相液滴间的 Ｂｒｏｗｎｉａｎ碰撞是影响液滴粗化的一个重要的因素快的冷却速率导致基体液相中溶质过饱和度和第二相形核速率都升高到一个高的水平，同时得到较小的液滴平均半径和较大的液滴数目密度这个模型对Ａｌ－３０％Ｉｎ合金的预测结果与实验结果吻合较好这说明本文所建立的模型在快速冷却条件下具有实际预测功能。

有无重力作用下Al-Bi偏晶合金凝固过程的模拟研究

基于二元Al-Bi偏晶合金难混溶区间凝固过程的液-液相分解及分离机制,采用欧拉法求解该合金显微组织演化的数学模型。该模型考虑了实际凝固过程中导致第二相宏观偏析的诸多复杂因素,包括形核、扩散长大、Stokes运动、Marangoni运动及重力沉降的影响。模拟结果表明,无重力条件下Marangoni力驱动L2相小液滴向中心高温区迁移,而重力条件下却呈现轴对称环流运动形式;随着冷却过程的进行,L2相在重力作用下发生沉降聚积,铸件底部L2相体积分数和液滴直径增加显著;与重力条件相比,无重力条件更有利于晶核的形成。