壳核组织形成过程的数值模拟研究

对空间环境条件下偏晶凝固过程中壳核组织的形成机制进行了数值模拟研究. 在总自由能中引入表面自由能项对H模型进行了修正, 使之能够描述表面偏析作用下的相分离. 选取Fe-Cu合金作为模型体系, 系统模拟了微重力状态下深过冷合金液滴的亚稳相分离过程, 揭示了表面偏析效应和温度梯度引起的Marangoni对流对微观组织演化的影响. 模拟结果表明, Fe₆₅Cu₃₅合金的相分离组织从弥散结构演化为3层壳核组织; Fe₅₀Cu₅₀合金经历了“双连续相→4层壳核→3层壳核”的组织演化; Fe35Cu65合金的组织由弥散结构向两层壳核组织演化. 偏析作用使得最外层总是富Cu相, 温度梯度引起的Marangoni对流决定了内部体相的组织演化过程.     

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.     

三元Sb60Ag20Cu20合金中枝晶与共晶的快速生长

采用深过冷方法实现了三元Sb₆₀Ag₂₀Cu₂₀合金的快速凝固, 最大过冷度达到142 K(0.18T_L). 在40~142 K过冷范围内, 合金凝固组织由(Sb), θ (Cu₂Sb)和 ε (Ag₃Sb)相组成. 深过冷扩大了(Sb)相的固溶度, 从而使其点阵发生膨胀, 点阵参数值增大. 初生(Sb)相存在两种生长方式: 小过冷条件下主要以非小面相枝晶形式生长; 大过冷条件下呈现小面相枝晶生长. (Sb)和θ相的晶体结构差异较大, 使合金熔体到达(θ+Sb)共晶线时不易生成(θ +Sb)二相共晶, 而是形成条状θ 相. θ 和 ε 相具有较强的协同生长趋势, 因此易于形成( ε + θ )二相共晶. 另外, 根据微观组织特征和DSC实验结果确定了合金的快速凝固路径.     

三元Fe-Sn-Ge和Cu-Pb-Ge偏晶合金相分离与快速凝固研究

采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法研究了三元Fe-43.9%Sn-10%Ge和Cu-35.5%Pb-5%Ge偏晶合金的相分离与枝晶生长特征, 实验中分别获得了245和257 K的最大过冷度. 两种合金熔体均发生液相分离, 快速凝固组织呈现出显著的宏观偏析. X射线衍射分析表明, Fe-43.9%Sn-10%Ge合金的凝固 组织由α-Fe 和(Sn)固溶体以及 FeSn 和 FeSn₂金属间化合物等四相组成, 而Cu-35.5%Pb-5%Ge合金的凝固组织由(Cu)和(Pb)两相组成. 在快速偏晶凝固过程中, α-Fe 和(Cu)相均以枝晶方式生长, 并且深过冷条件下皆发生了“枝晶®偏晶胞”转变. 实验发现, α-Fe 和(Cu)相的枝晶生长速度都随过冷度的增大呈现出指数函数变化规律.     

液态Fe-Cu-Mo合金的比热和相关热物理性质研究

采用电磁悬浮落滴式量热方法研究了三元Fe_77.5Cu₁₃Mo_9.5偏晶合金在1482~1818 K范围的比热和相关热物理性质. 在实验获得的0~221 K (0.13 T_m)过冷度范围内, 其比热为44.71 J·mol^-1·K^-1. 据此对该合金的过剩比热、焓变、熵变和Gibbs自由能差进行了计算, 发现传统近似方法的计算结果只能描述小过冷近平衡条件下的凝固过程, 在深过冷条件下只有实验结果才能反映相变过程的真实情况. 根据比热实验结果揭示了热扩散系数、热传导系数和声速随温度的变化关系. 分析发现凝固组织由(Fe)和(Cu)两相组成, 并依据两相界面能的计算结果探索了偏晶合金竞争形核与凝固组织的相关规律.     

深过冷Fe82B17Si1共晶合金的再辉及凝固组织特征

在大气中,采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法,使Fe₈₂B₁₇Si₁共晶合金获得了342K(0．238T_E,T_E为共晶温度)的大过冷度．对该合金的冷却再辉曲线及凝固组织研究发现：(1)在6～164K及255～342K过冷度范围内该合金的冷却曲线仅呈现一次再辉,而在174～247K过冷度范围内其冷却曲线则存在两次再辉,三过冷度范围内的凝固组织分别对应于由准规则共晶和复杂规则共晶组成的混合共晶或混合共晶+非规则共晶、完全非规则共晶、初生α(Fe,Si)相+枝晶间非规则共晶;(2)在过冷条件下,该合金的共晶两相α(Fe,Si)及Fe2B相满足促发形核的非互惠原则;(3)该合金非规则共晶出现的特征过冷度△T₁=63K,完全非规则共晶化的特征过冷度△T₂=164K;(4)该合金非平衡状态下的共晶共生区偏向Fe₂B相一边,它与共晶成分线的交点在△T=154K及△T=264K,其谷值约在△T=207K左右．     

Tb0.3Dy0.7(Fe0.9T0.1)1.95合金的结构、磁致伸缩和Mössbauer研究

系统研究了室温下Tb_0.3Dy_0.7(Fe_0.9T_0.1)_1.95 (T = Mn, Fe, Co, B, Al, Ga)合金中ⅢA族金属和过渡金属元素T替代Fe对晶体结构、磁致伸缩、内禀磁致伸缩、自旋重取向的影响. 结果发现, 不同金属T替代Fe, Tb_0.3Dy_0.7(Fe_0.9T_0.1)_1.95合金具有相同的MgCu₂型立方Laves相结构. ⅢA族金属B, Al, Ga替代使磁致伸缩λ_s下降幅度较大, 同时发现Al, Ga替代使磁致伸缩容易饱和, 表明Al, Ga替代可降低 Tb_0.3Dy_0.7(Fe_1-xT_x)_1.95合金的磁晶各向异性, 而过渡金属Mn, Co替代Fe使Tb_0.3Dy_0.7(Fe_1-xT_x)_1.95合金磁致伸缩λ_s 下降幅度较小; 不同替代金属元素, 对内禀磁致伸缩l111有不同的影响. Mössbauer 效应表明, Al, Ga 替代使 Tb_0.3Dy_0.7(Fe_0.9T_0.1)_1.95合金的易磁化方向在{110}面逐渐偏离了立方晶体的主对称轴, 即自旋重取向, B, Mn, Co替代未使易磁化轴发生明显转动.     

M-Cu(M:Fe,Co)合金亚稳液相分离时液相间的界面能

基于Becker界面能模型，由合金相图和液态合金的过剩热力学数据，计算了M—Cu(M：Fe，Co)包晶合金亚稳液相分离时液相间的界面能。     

落管中Co-Sn共晶合金的快速凝固

采用落管无容器处理技术实现了Co-34.2%Sn共晶合金在微重力条件下的快速凝固,获得了直径为100～900μm液滴的凝固组织.研究发现,随着过冷度的增大,共晶生长由层片共晶向不规则共晶转变.实验中获得了0～309 K的过冷度,最大过冷度达到0.22 TE.理论分析与实验结果表明,γCO3Sn金属间化合物是领先形核相;过冷度大于213 K时,金属间化合物γCo3Sn将取代层片共晶成为领先生长相;Co-Sn合金的共晶共生区偏向于富Co方,其成分范围为19.0%～39.6%Sn.实验达到的过冷度范围内,αCo固溶体和γCo3Sn金属间化合物均以溶质扩散控制方式生长.     

钛交联粘土在C3H6选择性催化还原NOx中的应用研究

 从钠基土合成了钛交联粘土(Ti-PILC).以交联粘土作为载体负载Cu,考察了对₃H₆选择性还原(SCR)NO反应的催化活性.Cu/Ti-PILC显示了很好的低温活性.Cu的负载方法影响催化剂活性.还研究了Ti-PILC负载其他金属(Fe/Ti-PILC,Ce/Ti-PILC,Zn/Ti-PILC,Co/Ti-PILC,Ag/Ti-PILC,Ni/Ti-PILC)催化剂的催化活性.用N2吸附脱附等温线和孔径分布考察了交联过程及铜的负载对粘土结构的影响.     

Al-Bi过偏晶合金液-液相分离模拟与分析

采用Eulerian法建立过偏晶Al-Bi合金难混溶区凝固过程的数学模型,对过偏晶合金液-液相分解及分离的运动行为进行数值模拟研究,分析两相温度场、运动速度、浓度分布等物性参数对合金凝固显微组织演化的影响.结果表明:先形核的局部区域的过冷度是影响局部大尺寸液滴产生的重要原因;无重力条件下,Marangoni力驱动第二相小液滴向铸件中心区域迁移,导致偏晶合金不能均匀分布;浓度场的不均匀分布是产生宏观偏析的前提,定向运动最终导致两相的宏观分离.     

深过冷条件下三元共晶的快速生长

采用熔融玻璃净化方法进行了大体积Ag_42.4Cu_21.6Sb₃₆三元共晶合金的深过冷实验, 获得最大过冷度为114 K(0.16 T_E). 发现在深过冷非平衡条件下三元共晶由ε(Ag₃Sb), (Sb)和θ(Cu₂Sb)三相组成, 而不是平衡相图中预期的(Ag), (Sb)和θ(Cu₂Sb)相. 小过冷条件下, 合金的凝固组织是初生θ相、(ε+θ)和(ε+Sb)二相共晶以及规则(ε+θ+Sb)三元共晶并存的混合形态. 随着过冷度的增大, 初生相和二相共晶逐渐消失, 而且三元共晶发生从规则共晶向不规则共晶的生长形态转变. 当过冷度超过102 K时, 不规则(ε+θ+Sb)三元共晶成为惟一的组织生长形态. 3个共晶相之间发生的竞争形核与生长是出现复杂生长形态的主要原因. 实验与理论计算结果表明, 金属间化合物θ相是领先形核相.     

AL87Ce3Ni10-xCux(x=0,1,3,5)纳米非晶复合材料的显微结构及性能研究

 单辊快凝Al₈₇Ce₃Ni_10-xCu_x(x=0,1,3,5)非晶合金在180,200,220,240℃进行20min等时退火,制成纳米复合结构.测量了各个合金的显微硬度.用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和差示扫描量热(DSC)技术研究了显微结构、晶粒尺寸、体积分数、热稳定性、硬度与合金成分和退火温度的关系.结果表明:随Cu摩尔分数的增加,α-Al晶粒尺寸减小,晶粒细化使显微硬度增高,随Cu摩尔分数的增加,α-Al析出温度向低温移动,有利于α-Al晶粒的析出过程.     

定向激发深过冷Fe81Ga19合金的组织特性

采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法制备过冷度分别为198、270、300K的Fe81Ga19合金,对不同过冷度的Fe81Ga19合金进行定向激发以获得具有轴向择优取向的棒材,并研究其显微组织和择优取向.结果发现:过冷度为198K的合金其凝固组织为细小的粒状晶或准球状晶,过冷度为270K的合金,晶粒尺寸增大,发生多边化转变,形态上表现为等轴晶,晶粒内部存在大量亚晶界;过冷度增加至300K的合金经定向激发后晶粒进一步粗化,晶粒呈一定的取向沿轴向方向排列.X射线衍射分析表明,深过冷Fe81Ga19合金经过定向激发后其凝固组织具有明显的〈110〉择优取向,其中过冷度为270K的合金定向激发后出现有利于磁致伸缩性能的〈100〉取向,并且衍射峰出现劈裂现象,DSC曲线在820℃左右出现一明显的吸热峰,对应于A2+修正DO3→A2的相转变,证明快速凝固的深过冷定向激发Fe81Ga19合金棒材中存在四方结构畸变的新的DO3相结构.     

深过冷Fe82B17Sil非规则共晶中Fe2B相的形态演化

在63～342 K过冷度范围内,对Fe₈₂B₁₇Si_l合金非规则共晶中Fe2B相的生长 形态演化进行了研究．发现：(1)在具有一次再辉的63～164 K及255～342 K过冷\r 度范围内,随过冷度增加Fe2B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'B相由小平面转变为树枝状 的过冷度过渡范围约为63～164 K;(2)在具有两次再辉的174～247 K过冷度范围 内,随初生a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63～154 K和312～342 K过冷度范围内,该合金非规则共晶中的Fe2B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．     

高温稀土永磁合金Sm2(Co,Cu,Fe,Zr)17

利用粉末冶金的方法研制了3种成分为Sm(Cobal Fe0.24 Cu0.08 Zr0.027)70,Sm(Cobal Fe0.27 Cu0.05 Zr0.027)7.0,Sm(Cobal Fe0.36 Cu0.05 Zr0.026)7.0的高温永磁合金,并对其磁性能、温度稳定性和显微结构进行了分析.研究结果表明常温时,3种永磁合金都具有较高的磁性能,其中,合金样品Sm(Cobal Fe0.27 Cu0.05 Zr0.027)7.0的内禀矫顽力(2 165.6kA.m-1)和磁能积(212.0 kA.m-3)最大;200℃时,3种合金的磁性能降低,但仍具有较大值;增加Co和Fe的含量,可提高材料的剩磁,当Zr的含量较大时,合金的矫顽力较高;3种磁体的温度系数都较低,最高使用温度均在400℃以上,大大高于一般商用磁体的使用温度;增加Sm,Co,Cu的含量和减少Fe的含量可以提高材料的温度稳定性;合金中含有Sm2(Co,Fe)17主相、Sm(Co,Cu)5相、Zr的化合物等;Sm(Co,Cu)5相、单质Zr、晶粒边界等钉扎畴壁,使合金具有较高的矫顽力.     

DSC法研究Ge熔体的过冷及凝固

将DSC技术与助熔剂(B₂O₃)处理技术相结合, 实现并准确测量了Ge熔体的过冷现象. 利用该方法, 实验得到Ge熔体的最大过冷度为190 K. 在实验冷却速率范围内(5~40 K/min), 冷却速度越大, 过冷度越大. 在冷却速率一定的情况下, 所达到的过冷度随熔体过热度的增大而增大, 并逐步趋向于常数. 研究了过冷Ge熔体的凝固现象, 分析了Ge熔体的非等温结晶过程, 冷却速率越大, 则试样完全结晶所需时间越短.     

Cu70Ni30合金快速凝固及晶体结构的模拟研究

用quantum Sutton-Chen 多体势对Cu₇₀Ni₃₀合金熔体快速凝固过程进行了分子动力学模拟研究, 在冷却速率2×10¹² K/s下, 通过键型分析及原子平均能量与温度曲线关系确定Cu₇₀Ni₃₀形成fcc晶体结构和结晶温度, 此外采用原子示踪及可视法对凝固过程中微观结构变化及晶体生长细节的分析, 不但能说明系统在微观上形成二元无序固溶体, 而且有助于对液态金属的凝固过程、晶体结构生长过程的深入理解.     

深过冷Fe-30%Co合金的组织演化

采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法，使原子分数Fe-30%Co合金获得了高达457K的大过冷度.系统考察了合金凝固组织随过冷度的演化规律.发现合金的凝固组织随过冷度的增大存在两次细化和一次粗化过程, 即在小过冷度范围内粗大树枝晶向粒状晶的转变和中等过冷度下局域定向枝晶的细化，而在大过冷度范围内随着亚稳枝晶核数目的增加,存在一个明显晶粒粗化的过程.     

水平稳恒磁场对Zn-10%Bi过偏晶合金第二相分布的影响

Zn-Bi过偏晶合金凝固过程中因液-液分离反应极易造成第二相偏析.磁场在过偏晶合金的凝固过程中具有抑制第二相液滴迁移的作用,在水平稳恒磁场中进行Zn-Bi过偏晶合金的水冷铜模浇铸实验,研究磁场方向与第二相液滴运动方向呈不同夹角时对偏晶合金凝固组织的影响,对不同方向磁场对液滴运动的作用机制进行分析.实验结果表明,水平稳恒磁场对富Bi相的Marangoni运动有一定的抑制作用,且磁场方向与富Bi液滴Marangoni运动方向平行时,磁场的作用效果最明显