垂直布里奇曼法CdZnTe晶体生长过程的数值分析

模拟计算了半导体材料CdZnTe布里奇曼法单晶体生长过程，分析了熔体的过热温度、坩埚侧面强化换热以及坩埚加速旋转(ACRT)等因素对结晶界面的形态和晶体组分偏析的影响。结果表明：当熔体的过热温度减小时，熔体中自然对流的强度显著降低，固液界面的凹陷深度有所增加，晶体的轴向等浓度区显著加长，而晶体组分的径向偏析明显增大，坩埚的侧面强化换热增加了自然对流强度，也增大了固液界面的凹陷，但是对溶质成分的偏析影响较小，坩埚加速旋转引起的强迫对流强度远大于自然对流，显著增大了固液界面的凹陷，使熔体中的溶质分布成为均一的浓度场，显著减小了晶体组分的径向偏析，增加了晶体组分的轴向偏析。     

强化换热对CdZnTe晶体生长过程的影响

为了优化CdZnTe晶体生长过程的工艺参数,利用数值模拟方法研究了强化换热对晶体生长过程固液界面凹陷、溶质组分偏析的影响.结果表明:当坩埚轴向散热强度大幅度增加时,固液界面前沿的对流显著增强;随着凝固过程的进行,固液界面凹陷深度先是显著减小,随后显著增加;晶体起始段溶质组分的径向偏析明显减小,溶质组分轴向等浓度区增长.当坩埚侧面径向散热强度增加时,固液界面前沿的对流和界面凹陷深度先是有所减弱,随后又有较大增加.当坩埚内壁碳膜厚度增加时,界面前沿的对流强度显著减弱,而固液界面凹陷深度明显增加.径向散热和碳膜厚度的增加皆不能明显影响晶体内溶质组分分布.     

激光双面区熔Al2O3/Y3Al5O12共晶自生复合陶瓷的制备与表征

采用激光区熔凝固技术制备大尺寸Al2O3/Y3Al5O12(YAG)共晶自生复合陶瓷,考察双面区熔条件下大尺寸氧化物共晶陶瓷的熔化及凝固成形规律,采用扫描电镜、能谱和X射线衍射对其凝固组织特征进行了表征和分析.研究结果表明:在优化的凝固工艺下,激光双面区熔增加了熔凝层的厚度,获得了熔凝层厚度8.2 mm,长度65.0 mm,致密度达98.5%±1%的Al2O3/YAG共晶陶瓷;共晶熔凝层厚度随激光扫描速率的减小而增加,随激光功率的增大而增大,并且致密度随着激光功率的增大呈现先增大后减小的趋势;双面区熔后的Al2O3/YAG共晶陶瓷微观组织由均一分布、相互交织的Al2O3和YAG共晶相组成,共晶层片间距较小(1.0~3.5μm),且与凝固速度满足Jackson-Hunt公式;共晶间距随扫描速率的增大逐渐减小;双面区熔界面处共晶组织生长具有连续性,界面结合良好;共晶陶瓷的Vickers硬度为(18.6±1.0)GPa.     

电子束区熔定向凝固Ni-Si共晶合金的固-液界面演化规律

采用电子束悬浮区熔定向凝固技术制备了Ni-Ni3Si共晶自生复合材料,在稳态晶体生长区,采用零功率法获取了不同凝固速率的固-液界面。研究表明,随凝固速率的增大,固-液界面的形态发生了明显的变化。在凝固速率较低时,固-液界面基本保持平界面,形成的是规则的层片状共晶组织。随凝固速率的增大,成分过冷增大,平界面失稳,凝固组织的规则性也降低。此外,根据M-S界面稳定性判据,计算了不同凝固速率不同干扰波长对固-液界面稳定性的影响,理论计算与实验结果基本吻合。     

Si-TaSi2共晶自生复合场发射材料的定向凝固组织特征

采用电子束悬浮区熔装置（EBFZM）制备了Si-TaSi2共晶自生复合场发射材料,系统地研究了Si-TaSi＋2共晶的定向凝固组织特征.当凝固速率在0.3～9.0mm/min范围内变化时,均可获得Si-TaSi2共晶自生复合材料,具有高精确取向的TaSi2纤维在硅连续基体中均匀分布.随着凝固速率的增大,TaSi2纤维的直径和平均间距减小,面密度和体积分数增大.采用零功率法考察了不同凝固速率时的固-液界面形貌.当凝固速率由0.3mm/min变化到5.0mm/min时,固-液界面经历了平界面→浅胞状界面→胞状界面→平界面的演化过程.     

亚共晶Ni-Si合金的凝固组织特征研究

采用布里奇曼定向凝固技术制备了NiNi3Si亚共晶复合材料,系统地研究了Ni-Ni3Si亚共晶的定向凝固组织特征。在较低的凝固速率R=3μm/s时亚共晶成分的合金为规则的层片共晶组织。随着凝固速率的增大,当R=8μm/s时,平界面失稳,在第二相的旁边出现浅胞状组织。当R=25μm/s时在析出相的旁边出现了突起的胞状组织。当R=40μm/s时由于固液界面前沿的成分过冷逐渐增大,凝固组织生长成为典型的树枝晶组织。并根据"成分过冷"判据,评估了固液界面前沿的"成分过冷"的大小,理论计算与实验结果基本吻合。此外,根据BH模型计算和比较了α-Ni相的界面生长温度和共晶界面生长温度,证明较高速定向凝固下不太可能制备出全耦合生长的共晶组织。随凝固速率的增大,一次枝晶间距减小,组织细化。     

温度梯度和生长速率对CdZnTe-VBM生长晶体的影响

计算模拟了半导体材料CdZnTe垂直布里奇曼法(CdZnTe-VBM)单晶体生长过程，分析了炉膛温度梯度和坩埚移动速率对结晶界面形态和晶体内组份偏析的影响。计算结果表明炉膛温度梯度和生长速率的变化明显影响固-液界面前沿对流场的形态和强度。界面凹陷深度随着炉膛温度梯度的增加和生长速率减小而减小。炉膛温度梯度的增加和生长速率的减小虽然均能有效的减小径向偏析，但却增加轴向偏析，减小轴向等浓度区的长度。     

固液相变蓄能的数学模型和自然对流换热系数的实验研究

引入自然对流换热系数 ,将固液蓄能数学模型简化为仅用能量方程加以描述。并通过实验测得相变过程的实际温度场 ,证明了自然对流固液相变换热的影响不可忽略 ,验证了固液相变界面移动速率随自然对流换热系数的增大而增大的定性关系     

Ni,Cr,Al-TaC自生复合材料的定向凝固组织特性

本文采用高梯度定向凝固装置制备Ni TaC共晶自生复合材料。系统地研究了凝固速率对凝固组织的影响。随凝固速率增大 ,固液界面依次呈现平一胞一枝的形貌。TaC纤维增强相的平均间距和截面积随凝固速率增大而减小 ,其体积分数可在一定范围内调节。与此同时 ,随凝固速率的增大 ,γ′相形貌趋于规整 ,尺寸减小。     

Ni,Cr,Al—TaC自生复合材料的定向凝固组织特性

本文采用高梯度定向凝固装置制备Ni-TaC共晶自生复合材料。系统地研究了凝固速率对凝固组织的影响。随凝固速率增大,固液界面依次呈现平一胞一枝的形貌。TaC纤维增强相的平均间距和截面积随凝固速率增大而减小,其体积分数可在一定范围内调节。与此同时,随凝固速率的增大,γ′相形貌趋于规整,尺寸减小。     

抽拉速率对一种镍基单晶高温合金凝固参数和凝固组织的影响

研究了不同的铸型抽拉速率对镍基单晶高温合金DD98的凝固参数及显微组织的影响，结果表明，随着抽拉速度降低，固－液界面前沿的温度梯度显著提高，糊状区宽度减小，抽位速度较低时，温度梯度在整个凝固过程中变化比较平稳，提高抽拉速率使DD98合金由胞状凝固转变为枝状凝固，γ′相尺寸减小，并且由不规则形状逐渐变为规则的立方体形状，γ／γ′共晶量增加，共晶中的初生γ′相尺寸逐渐减小。     

表面张力对流对 BaB2O4晶体生长界面边界层的作用

利用高温光学实时观察方法，实时地观察了BaB2O4（BBO）高温熔体的表面张力对流效应以及BBO单晶的旋转生长过程，计算了固液界面附近的浓度、温度以及动量边界层厚度δc，δT和δv，并研究了热毛细对流对边界层厚度的影响．结果发现，浓度边界层厚度远远小于温度以及动量边界层厚度，说明晶体生长过程中，质量扩散在界面输运过程中起着主导性作用，同时发现，边界层厚度随体系无量纲Marangoni数的增大而线性地减小．     

基于相场模拟的倾斜共晶生长研究进展

共晶合金是工业上应用最为广泛的一类合金,其组织形态以两相或多相固态从液态中同时共生生长为主。共晶组织存在于许多重要的结构材料和功能材料的固液相变中,而倾斜共晶是共晶组织在诸多因素影响下形成的与热流方向呈一定倾斜角度的共晶组织。学者们探究了倾斜共晶生长的生长机理和共晶生长界面稳定性等重要问题,发现倾斜共晶组织有利于改善共晶组织的材料性能,对解决许多关于共晶组织的问题有指导意义。初步认为,具有各向异性的表面张力对倾斜共晶产生影响。由于相场法的固液界面序参数连续变化,解决了凝固过程中固液界面追踪困难的问题,因此可利用相场模拟法来研究倾斜共晶的形成机理。采用相场模拟法研究倾斜共晶的生长机理,主要是通过改变物理参数和相场参数来观察倾斜共晶组织形貌的变化规律,例如各向异性参数、温度梯度、凝固速度、对流情况、界面能比以及初始层片间距等诸多参数都对倾斜共晶的形貌演化具有一定的影响。通过相场模拟法对凝固过程中倾斜共晶生长进行研究可以得到每种材料对应的最佳物理参数和相场参数,这不仅在理论上更是在工业上上升了一个新的台阶。历经几十年的发展,相场法模型从单相到多相,从定性研究到定量研究,更是从二维相场模拟发展到三维相场模拟,相场模拟法越来越完善,对于凝固过程中组织形貌变化模拟结果也越来越接近实际情况。本文将从二维相场模拟与三维相场模拟出发,阐述了在不同维度下物理参数和相场参数分别对倾斜共晶组织形貌演化的影响。在二维相场模拟方面,学者们取得了一系列的突破,证明了各向异性和对流情况对倾斜共晶有一定的影响,初始层片间距会改变共晶的生长模式,温度梯度、界面能、凝固速度和扩散系数对共晶倾斜角度也有一定影响。在三维相场模拟方面,同样取得了一些成就,不同生长速度和弹性效应下,层片间距与过冷度之间的关系,各向异性和温度梯度对倾斜共晶组织形貌变化以及扩散系数和界面能对固液界面变化都有被研究。本文指出了当前研究存在的问题,并对未来研究工作作出了展望。     

激光区熔定向凝固Al2O3/Y3Al5O12 (YAG)共晶的组织与断裂韧性

采用激光区熔高温度梯度快速定向凝固技术从熔体中直接制备Al2O3/Y3Al5O12(YAG)共晶自生复合陶瓷,以研究其在超高温度梯度(1.0×106 K/m)下的快速凝固组织特征及与激光工艺参数的关系,并对其力学性质进行分析.研究结果表明:凝固组织强烈地受激光扫描速度与功率密度的影响,当二者匹配时,Al2O3相和Y3Al5O12(YAG)相呈现均匀一致,连续分布的层状耦合共晶结构,共晶间距细小(1～2 μm),且随扫描速度的增大逐渐减小;所制备的Al2O3/Y3Al5O12(YAG)共晶陶瓷硬度高达19.5 GPa,断裂韧性达到3.6 MPa·m1/2.     

多晶硅定向凝固过程中固-液界面特性研究

通过真空感应熔炼炉以不同拉锭速率制备了多晶硅铸锭,通过对铸锭的金相组织及少子寿命随凝固高度的变化及径向分布的分析,研究了多晶硅定向凝固过程中的固-液界面特性。结果表明:少子寿命随生长高度的增加先增加后减少,其径向分布与固-液界面相对应。由少子寿命分布图可以看出,固-液界面的曲率随拉锭速率的减小而减小,固-液界面形貌为胞状界面。计算分析表明,胞状的固-液界面造成Fe杂质的有效分凝系数增加了3个量级以上。     

激光区熔Al2O3/Er3Al5O12共晶自生复合陶瓷的组织与断裂韧性

采用激光区熔快速定向凝固技术制备出Al2O3/Er3Al5O12(EAG)共晶自生复合陶瓷,研究了不同激光扫描速率下材料的凝固组织特征及其演变规律,并对其力学性能和增韧机制进行了分析.结果表明:激光区熔Al2O3/EAG由连续的Al2O3和EAG两相组成,两相相互交错分布,形成均匀的三维网状结构;共晶间距细小,在0.2～2.1μm之间,并随着扫描速率的增加规律性地减小.在低的扫描速率下,微观组织呈现典型的层片状非规则共晶组织;当扫描速率增至800μm/s时,出现了胞状及EAG树枝晶.共晶陶瓷的硬度和断裂韧性分别为18.7GPa和2.45MPa.m1/2.微观组织高度细化以及裂纹扩展过程中沿两相界面偏转、分叉等机制提高了材料的韧性.     

AlN陶瓷基板覆铜技术的研究

探索了AlN陶瓷基板表面氧化状态对敷接强度的影响。结果表明:敷接过程中Cu[O]共晶液体对未经氧化处理的AlN陶瓷基板的浸润性较差,不能形成牢固的结合;AlN陶瓷表面经氧化处理后能够显著改善与Cu[O]共晶液体的浸润性,其界面结合强度与氧化工艺密切相关,受热应力的影响,空气条件下氧化试样的敷接强度大于湿气氛下(N₂:O₂=10:1)氧化试样的敷接强度;空气下1300℃氧化30min制得的AlN-DBC试样,敷接强度达2.8kg·mm^-2,其界面反应层的厚度约2～3μm,生成界面产物CuAlO₂,从而获得了较高的敷接强度。     

凝固速率对Si-Ta合金固液界面稳定性的影响

以Si-Ta合金为研究对象,采用零功率法研究凝固速率对定向凝固固液界面稳定性的影响。结果表明:当凝固速率在0.3～9.0mm/min范围内,随着凝固速率的增大,固液界面经历了平界面→浅胞状界面→锯齿状界面→浅胞状界面→平界面的演化规律。在较低的凝固速率范围之内,实验结果与理论计算基本吻合。然而,在较高凝固速率时,实验结果与理论计算出现偏差,这是由于热力学和动力学均发生变化,使得在凝固速率V=5.0mm/min时固液界面就已经达到了稳定的平界面。     

强磁场下Cu-50%Ag合金定向凝固过程中的组织及固液界面形貌演变

目的 研究强磁场下Cu-50%(质量分数)Ag合金定向凝固过程中的组织演变、固液界面形貌变化及溶质迁移行为,分析强磁场对金属凝固过程的作用机制,为强磁场下的金属材料制备提供理论借鉴和指导。方法 在不同的凝固速率与磁场条件下进行定向凝固和淬火实验,对合金的定向凝固组织、糊状区与固液界面形貌以及溶质分布行为进行考察。结果 强磁场破坏了凝固组织的定向生长,使凝固组织转变为枝晶与等轴晶共存的形貌;强磁场诱发了熔体对流,减少了糊状区中溶质的含量;强磁场改变了固液界面处的溶质分布和固液界面形貌,破坏了固液界面的稳定性。结论 强磁场通过洛伦兹力和热电磁力的共同作用,诱发了糊状区内液相的纵向环流,改变了固液界面及糊状区中的组织形貌与元素分布。     

SHS冶金技术制备纳米组织Al2O3-ZrO2共晶复相陶瓷研究

以SHS冶金技术,通过材料原位合成手段并在大过冷条件下熔体发生共生共晶反应,快速一次性制备出自然自组装的具有1-3复合、晶内型结构的纳米组织Al2O3-ZrO2共晶复相陶瓷,其中sEM观察与凝固理论分析表明在本实验条件下只有亚共晶成分的复相陶瓷才易获得ZrO2相纤维直径在纳米尺度上的纳米组织Al2O3-ZrO2共晶复相陶瓷.