自制Bridgman定向凝固装置

金属凝固问题是冶金和金属材料研究领域中一个重要的基础理论问题,长期以来一直受到冶金和金属材料科学工作者的高度重视。定向凝固技术于本世纪五十年代初被多伦多大学的研究人员首先用于研究金属凝固问题。

带有电磁扰动的Bridgman定向凝固装置设计

应用同步辐射X射线成像技术,实现了电场作用下金属合金凝固过程的枝晶生长行为原位观察.自行设计并制作了一套带有电磁扰动的Bridgman定向凝固装置,该装置包括成像样品、电磁扰动装置、加热炉等,能够实现样品加热、微移、电磁扰动等功能.该装置用于北京和上海同步辐射光源的成像实验中,成功获得系列枝晶生长行为及形貌演变图像,原位观察到不同电压、电流、频率的脉冲电场对枝晶形态的动态影响.

FLiNaK熔盐中CsF的定向凝固分离研究

熔盐反应堆采用氟化物熔盐作为冷却剂和燃料载体,运行后的燃料成分为铀、钍、裂变产物和载体盐,对裂变产物进行分离并回收有效组分复用,可以提高反应堆的运行经济性,并且使放射性废物最小化。定向凝固技术是利用多元混合物的相平衡特性和凝固过程元素迁移机制实现物质分离,具有工艺操作简单、无副产物产生等优点,有望用于燃料盐中裂变产物分离。在自制的冷棒式定向凝固实验装置上,研究了FLiNaK熔盐体系内典型裂变产物CsF在不同工艺条件下定向凝固后的含量分布。研究结果表明:通过控制冷却凝固速度,得到的凝固盐中Cs元素的含量在径向上呈现出梯度分布,由内向外依次递减,外侧凝固盐中Cs含量相较液相中最高降低约90%,表明燃料盐中裂变产物定向凝固分离具有一定的可行性。

定向凝固Cu-50%Sn包晶合金显微组织演变

随着科学技术的进步,越来越多的包晶合金因其优良性能广泛应用于工业生产领域,比如Fe-Cr-Ni、Ti-Al、Nd-Fe-B合金以及应用于电子封装领域的Cu-Sn合金等。随着电子信息产业向微型化和多功能化方向发展,对集成电路的机械、电子和热性能提出了更高的要求。本文以Cu-50%Sn(原子分数)包晶合金(L+Cu^(3)Sn→Cu6Sn5)作为研究对象,通过布里奇曼定向凝固法,在显微镜下对组织进行观察和测量,研究淬火固液界面的凝固组织随凝固条件改变而产生的变化。生长距离、温度梯度一定时,随着生长速度的增大,初生相Cu^(3)Sn经历了胞状→胞/枝状→枝晶状组织转变,Cu^(3)Sn相的尺寸与间距均随生长速度的增大而减小;生长速度、生长距离一定时,随着温度梯度的增大,初生相Cu^(3)Sn相由块状与枝晶状转变为胞状组织;生长速度、温度梯度一定时,随着生长距离的增大,初生相Cu^(3)Sn由块状与胞/枝状转变为胞状组织,且Cu^(3)Sn相尺寸发生小幅细化。基于上述实验结果,绘制了关于生长速度、温度梯度及生长距离条件下的显微组织选择图,进一步阐明了凝固条件的改变对Cu-50%Sn(原子分数)包晶合金显微组织的影响。

Bridgman 法铸铁定向凝固一维传热特性的测试分析

作者测试了铸铁定向凝固实验中试样移动时液—固界面位置的变化和稳态凝固段液相中的轴向温度分布，并用试样轴向一维传热解析解对实验结果进行了分析，证实了该传热模型的有效性。

强制流动对Mg–9%Al合金定向凝固组织演化的模拟研究

基于欧拉多相流技术与元胞自动机方法构建了镁合金凝固组织预测模型,研究了无流动、x方向流动和y方向流动三种条件下Mg–9%Al合金定向凝固过程中的成分和组织演化过程.研究结果表明,无流动作用时镁合金枝晶呈现互为60°夹角生长,并在凝固后期出现与一次枝晶呈60°夹角二次枝晶形貌,凝固组织具有密排六方(HCP)晶体结构特征,验证了该模型的可靠性.由于x方向的流动作用下,与无流动结果相比较,迎流方向枝晶生长较快并出现发达的二次枝晶形貌,研究表明由于枝晶前端排出的溶质受流动影响被运输到枝晶后端区域,从而使前端区域具有更大的过冷度,提升了凝固驱动力.由于y方向流动的存在,枝晶呈现不对称生长,其中部分枝晶生长方向偏转约3°,研究表明迎流枝晶前沿的溶质被运输并富集在其他枝晶生长区域,最终使其发生了生长偏转;进一步分析枝晶生长前沿的流场和成分分布信息发现,枝晶生长过程中流动u1∇c1引起的值在固液界面处的不对称分布是导致枝晶生长发生偏转的主要原因.

抽拉速率对定向凝固柱晶DZ4125高温合金组织及偏析行为的影响

采用Bridgman定向凝固法制备了DZ4125定向凝固高温合金,研究抽拉速率对DZ4215合金显微组织及偏析行为的影响。结果表明,随着抽拉速率的增加,合金中一次和二次枝晶间距逐渐减小;γ'相尺寸逐渐减小,且形貌由不规则立方体状、蝴蝶状向规则立方体状转变;枝晶间γ'相尺寸和数量均高于枝晶干处的。碳化物和γ+γ'共晶组织主要分布于枝晶间区域,且随着抽拉速率的提高,碳化物形貌从骨架状逐渐向长条状、块状转变,分布更加弥散、均匀。在定向凝固DZ4125合金中,Co和W为正偏析元素,Al、Ti、Ta、Mo为负偏析元素。随着抽拉速率的增加,正偏析元素的偏析程度降低,负偏析元素的偏析程度增加。

基于小试样的定向凝固镍基合金蠕变性能评估方法

在热处理态定向凝固镍基合金棒材上制取工字型非标准小试样和棒状蠕变标准试样,并进行了不同温度(800,850,900,980℃)下的应力松弛试验和不同应力(标准试样为250,350,450 MPa,小试样为250,350,400,450 MPa)下的蠕变持久试验,研究了标准试样和小试样的松弛蠕变和持久蠕变行为,建立了小试样松弛蠕变速率与标准试样持久寿命的关系。结果表明:小试样和标准试样的持久蠕变曲线均单调递增直至试样断裂,持久蠕变速率曲线均均呈“U”字型,两者的最小持久蠕变速率接近;小试样和标准试样的高温松弛蠕变曲线均单调递减,温度归一化后两者松弛蠕变速率分布在一条线上;持久蠕变和应力松弛试验后标准试样和小试样中γ′相均沿垂直于应力方向聚集粗化,属于N型筏化;标准试样持久寿命与小试样松弛蠕变速率存在线性关系,利用小试样松弛蠕变速率预测的持久寿命和标准试样实际持久寿命接近。

定向凝固条件下Ti_(3)Al合金中梯度纳米结构的形成机制与力学行为——原子尺度研究

通过分子动力学(MD)模拟方法对Ti_(3)Al合金在定向凝固条件下的生长机理进行系统研究,并通过对比纳米晶(NG)、粗晶(CG)和梯度纳米晶(GNG)合金,研究Ti_(3)Al合金的结构力学性能。结果表明,在凝固过程中Ti_(3)Al相优先生长为等轴晶组织,随后逐渐演变为柱状粒,并最终形成梯度纳米晶结构。此时,晶粒在与凝固方向平行的方向优先生长。此外,研究还发现,相较于NG和CG结构,GNG结构定向凝固合金具有更高的抗拉强度和更好的延展性。GNG结构不仅有效抑制了小晶粒区域的应变局域化和晶粒生长,而且促进了较大晶粒区域的位错形成,从而获得更好的力学性能。

不同冷却速率对GH4151高温合金定向凝固组织及元素偏析的影响

为了进一步降低合金凝固偏析程度和优化真空自耗冶炼(VAR)工艺,利用液态金属冷却法(LMC)对GH4151合金进行定向凝固实验,采用光学显微镜、扫描电镜及电子探针等研究了冷却速率对GH4151合金定向凝固组织及元素偏析的影响。结果表明:随着冷却速率的增加,一次枝晶间距λ_(1)及二次枝晶间距λ_(2)均逐渐减小,两者与冷却速率间满足相似的函数关系。而且,枝晶干及枝晶间γ′相尺寸也随冷却速率的增加逐渐减小,组织均匀性提高。对凝固组织元素成分分布的电子探针分析表明:GH4151合金主要偏析元素为W、Nb、Ti,偏离程度在20%以上,且3种元素显微偏析程度均随冷却速率的增加而加重,原因在于随着冷却速率增加,凝固前沿固相层可供溶质扩散的时间减少,扩散效果减弱。

镍基单晶涡轮叶片定向凝固过程温度场数值模拟研究进展

作为先进航空发动机不可缺少的核心部件之一,镍基单晶涡轮叶片(简称单晶叶片)的空心结构尺寸精度、合金元素的分布均匀性和表面及内腔冶金质量等要求极为苛刻。研究发现,定向凝固过程中温度梯度的控制直接影响单晶叶片性能和质量,能否持续获得稳定热流成为定向凝固技术的关键。随着计算机技术的不断进步,数值模拟已经成为单晶叶片定向凝固研究的重要手段之一。首先,对单晶叶片制备技术进行了介绍,分析了定向凝固过程中的传热方式。其次,总结了数值模拟界面换热系数边界条件的优化方法,重点介绍了Beck非线性估算法和有限差分法在界面换热系数求解中的应用,证明了两种方法均可以对铸件/型壳间的界面换热系数进行求解,有效提升了温度场模拟的准确性。最后,对定向凝固过程温度场数值模拟的研究进展进行了追踪,总结归纳出了工艺参数对温度场的影响规律。基于对镍基单晶涡轮叶片定向凝固过程温度场数值模拟研究进展的分析,提出了定向凝固工艺优化方向以及相关技术后续的发展趋势,以促进单晶涡轮叶片的高质量研发。

金属镥定向凝固过程中杂质分布的理论研究

高纯镥作为稀土金属,有着重要研究价值。文章通过理论计算分析了真空电子束熔炼和定向凝固下镥锭中杂质Fe和Al的分布,研究了蒸发和分凝效应耦合作用下金属镥的提纯效果以及影响机制。结果表明,电子束定向凝固金属镥过程中,虽然杂质Al的饱和蒸气压大于Fe杂质的饱和蒸气压,但Fe杂质蒸发传质系数大于杂质Al。金属镥中杂质Fe和Al分布不仅受固液界面分凝的控制,还受气液界面蒸发的控制,金属镥锭高度60%以下区域的Fe含量由4.836×10^(−3)降低到了6.2×10^(−5),Al含量由7.75×10^(−4)降低到了3.3×10^(−8),有着较好的提纯效果。熔炼温度和凝固速率是影响电子束定向凝固镥金属过程中杂质分布的两个重要参数。一个纯度较高且分布均匀的镥金属锭可以通过合理控制熔体温度和凝固速率来获得。

颗粒对Al-4.5 wt% Cu合金定向凝固汇聚生长的元胞自动机模拟研究

定向凝固是制备单晶的重要技术之一,被广泛应用于航空航天、能源、电子、医疗器械等领域。但是在定向凝固过程中难免会出现杂晶、夹杂等缺陷,因此研究颗粒对枝晶竞争生长机制的影响对制备高品质单晶试样具有重要意义。基于欧拉多相流模型与元胞自动机方法,通过构建Al-4.5 wt%Cu合金枝晶生长模型,比较不同取向枝晶在相同条件下获得的枝晶前沿溶质分布和枝晶长度差异来验证模型的可靠性,然后开展了定向凝固双晶粒凝固组织演化和颗粒对枝晶生长影响的研究。模拟结果表明,无颗粒影响的汇聚竞争生长中非择优取向枝晶压制择优取向枝晶生长,再现了反常淘汰现象。但是通过将颗粒引入合金定向凝固汇聚生长的晶界附近后,颗粒的存在干扰了非择优生长取向枝晶生长,亦可提高择优取向枝晶生长稳定性,实现了对反常淘汰现象的控制。

Al-50%Si合金电磁定向凝固提纯过程中初晶硅富集行为研究

采用Al-Si合金提纯制备多晶硅过程中,初晶硅的富集可以有效减少后续酸洗过程中铝和酸的消耗,进而降低高纯初晶硅的分离成本。电磁定向凝固具有工艺简单、可控性强等优点,是目前提纯制备多晶硅最佳方法之一,但各工艺参数对初晶硅的富集影响规律还缺乏系统研究。为此,本文研究了初始凝固温度、坩埚初始位置和下移速率对Al-50%Si(质量分数)合金凝固过程中初晶硅富集行为的影响,并对富集区内初晶硅晶粒的形貌进行了表征。结果表明,初始凝固温度为950℃,坩埚初始位置为-5 mm及坩埚下移速率为2 mm/h时,初晶硅主要富集在铸锭的下部区域,最高富集率为79.1%,是最佳的工艺组合。同时,随着初晶硅富集程度的增加,初晶硅晶粒由盘片状向粗大的球状转变,这有利于降低初晶硅的夹杂,并提高其纯度。

定向凝固结构功能一体化氧化铝基共晶复合陶瓷研究进展

航空航天、电子信息、生物医学等高新技术的飞速发展对先进陶瓷材料的性能提出了更高的要求。具有单一特性的结构或功能材料已无法满足当前的需求,因此发展结构功能一体化高性能复合陶瓷已成为世界各国竞相竞争的目标。定向凝固氧化物共晶复合陶瓷是近年来发展的一类用于超高温氧化环境中长期服役的结构功能一体化复合材料。该类材料具有高熔点,低密度,优异的高温强度、高温蠕变性能等特性,同时兼具光学、电磁学、生物学等功能特性。本文综述了以Al_(2)O_(3)基材料体系为代表的定向凝固结构功能一体化共晶陶瓷的发展现状,总结出定向凝固共晶陶瓷的制备方法、技术原理和生长特点。重点阐述系列Al_(2)O_(3)基共晶陶瓷的凝固微观组织与结构特征,分析复合陶瓷的力学、光学、磁学和生物特性等性能及影响因素,并介绍其特点优势和应用范围。最后,总结定向凝固结构功能一体化共晶复合陶瓷在工程应用方面所面临的挑战和关键瓶颈,提出了共晶复合陶瓷材料在成形技术创新、综合性能提升、新体系开发等方面发展的主要方向。

定向凝固进程与相变界面预测模型的解析研究与实验——以太阳能级多晶硅为例

在封闭的定向凝固过程中,监控和预测凝固进程和相变界面形态是业内的难点。文章采用解析法对太阳能级多晶硅定向凝固过程进行求解,获得一种高精度凝固进程数学模型,由易于测得的散热温度和凝固时间推算凝固高度、瞬时凝固速率和熔体温度分布;通过求解Poisson(泊松)方程,建立三维的相变界面模型,揭示了熔体侧壁热流密度q值是影响界面形态的关键因素,为凝固工艺过程控制提供定量分析依据。以Si3303工业硅为原料,采用YITIPV型真空铸锭炉进行大尺寸(0.90 m×0.90 m×0.35 m)铸锭实验。对于几何对称的相变界面,凝固进程数学模型与实验曲线的最大偏差为4.43%;而对于不规则的相变界面,最大偏差为8.68%,根据实验结果修正了凝固进程模型。通过检测杂质含量、电阻率和少数载流子寿命等参数,并比较4种铸锭的典型相变界面形态,验证了三维相变界面模型的预测准确性和可靠性。该模型可以为多晶硅提纯、其他金属、非金属的精密铸造和晶体生长工艺控制提供参考。

光伏多晶硅定向凝固不平衡散热的数值研究与实验

定向凝固是物理法提纯光伏多晶硅的重要工艺方法。为改进传统定向凝固一维散热产生较大热应力和应变的缺点,提出一种新型不平衡散热结构和工艺方案,利用特定热阻设计和散热通道来降低热应力和应变。采用ProCAST软件对一维散热与不平衡散热进行三维数值建模,通过对比表明,不平衡散热方案较一维散热,热应力平均降幅可达52.56%,平均凝固速率增长20.67%,凝固时间减少17.10%,并且能在非一维温度场中保持相变界面的稳定。采用YITIPV型真空铸锭炉和3303工业硅原料,进行大尺寸铸锭(1 m×1 m×0.3 m)对照实验。实验证明,不平衡散热方案可以提高凝固速率和成品质量,制备的硅锭顶部更平整,实际总凝固时间减少15.75%,提纯单位重量硅的能耗降低17.86%,铸锭裂纹更少,有效体积更大。样片分析还表明,硅片平均电阻率提高7.86%,B、P、Al三种元素的杂质含量分别降低了28.6%、15.2%和83.3%。实验不但证实了不平衡散热结构和工艺的有效性,也验证了数值模型的适配性。该新型结构和工艺提高了铸锭质量和生产效率,降低了裂锭风险和成本,具备推广应用价值。

定向凝固镁合金组织形貌及力学性能研究进展

利用定向凝固技术调控镁合金晶体取向和组织结构,可以提高镁合金的力学性能。目前对镁合金定向凝固的研究仍处于探索阶段。综述了定向凝固镁合金的组织形貌及胞-枝晶转变特点,并结合课题组的研究讨论了定向凝固镁合金一次晶轴生长取向及其与力学性能相关性。简要介绍了定向凝固镁合金中的长周期堆垛结构相、定向凝固镁合金的耐腐蚀性能以及定向凝固过程数值模拟的研究情况,提出了镁合金定向凝固研究的重点与方向。

Bridgman法铸铁定向凝固一维传热分析

基于铸铁定向凝固实验，将Ｂｒｉｄｇｍａｎ法定向凝固装置简化为由加热区和冷却区组成的二段式结构，推导出一个简明的一维传热解析解。通过理论分析与计算说明了该解使用的条件。

定向凝固技术与理论研究的进展

阐述了不同定向凝固方法的原理以及定向凝固技术的发展趋势。从定向凝固技术的演化过程看,是温度梯度不断提高、冷却速度不断加快的过程。从传统的定向凝固技术中逐渐演化出冷坩埚定向凝固技术、软接触陶瓷壳定向凝固技术、双频电磁约束成形定向凝固技术等。简述了单相合金成分过冷与界面稳定性理论,共晶合金、包晶合金以及偏晶合金的相选择及组织演化等。