过冷Fe-Co合金的包晶凝固

采用熔融玻璃净化法使Fe-Co包晶合金实现了深过冷快速凝固。当熔体过冷度较小时,Fe-Co包晶合金的凝固组织为典型的包晶组织。借助电子探针分析和DTA差热分析,证实了非平衡条件下Fe-Co包晶合金凝固过程中发生了包晶反应和包晶转变。研究表明,深过冷Fe-Co包晶合金的非平衡凝固过程从理论上可以划分为4个阶段:初生δ相的形核与生长、包晶反应、包晶转变和γ相的外延生长。     

Pr对Sn-Cd包晶合金定向凝固组织的影响

为了解Pr对Sn-Cd包晶合金凝固组织的作用,在不同抽拉速率下对Sn-Cd-Pr合金进行定向凝固实验.采用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析(EDS)研究了Pr对Sn-Cd包晶合金凝固组织的影响.研究发现:对于Sn-1.8%Cd过包晶合金,在2μm/s时0.5%的Pr增加了包晶相β的体积分数;在4μm/s时凝固组织明显细化.对于Sn-0.65%Cd亚包晶合金,在4μm/s时Pr的加入促进了平→胞界面的转变;在16μm/s时随着Pr含量的增大,凝固组织逐渐细化;在100μm/s时Pr含量的增大使凝固组织仅有微弱的细化.研究表明,Pr的加入可以改变组成相的体积分数、细化组织以及减小界面稳定性.     

Al-Y包晶合金非平衡凝固过程及组织特征

包晶凝固过程中小平面-小平面两相复相生长方式是凝固领域研究的一个热点。以初生相和包晶相都是严格计量比金属间化合物的Al-Y包晶合金作为研究对象,利用DSC热分析技术,严格控制冷却速度,获得不同凝固条件的非平衡凝固试样,研究了两相为小平面相的Al-Y包晶合金的凝固行为。发现小平面-小平面包晶系合金包晶凝固过程中,非平衡凝固特性及宏观偏析特点比非小平面包晶系更加明显。凝固特征温度与平衡相图偏差明显,包晶反应温度和包晶相直接凝固温度都远高于平衡相图给定的值,相对于相图是在"过热"条件下发生的,而固溶体型包晶合金一般是在"过冷"条件下发生的。包晶转变过程非常微弱,致使初生相残留量远高于平衡相图。即使对于过包晶成分的合金,其凝固组织中仍存在大量的共晶凝固组织,最终得到的凝固组织与平衡相图存在显著差异。     

重力对镍基单晶高温合金枝晶生长和微观偏析的影响

使用长50 m的落管研究Ni-Cr-Al-W-Ta镍基单晶高温合金在重力(1g)和微重力(μg)条件下的凝固行为。用金相显微镜(OM)观察合金的凝固组织并用图像分析软件测量和统计一次和二次枝晶间距,使用扫描电镜能谱(SEM-EDS)测定不同位置枝晶干与枝晶间的化学成分并计算微观偏析系数。结果表明,在重力和微重力条件下这种合金的枝晶特征和合金元素的微观偏析明显不同。重力样品一次和二次枝晶间距比微重力样品的大,随着凝固距离的增大一次枝晶间距的差异变大,而二次枝晶间距的差距变化不大。随着凝固的进行,微重力样品枝晶间Ta、Cr和Al元素的含量呈现先明显升高后略微降低的趋势,W元素含量呈现逐渐下降的趋势,枝晶间液相的密度呈现略微降低的趋势。重力样品枝晶间Ta、Cr和Al元素含量的分布趋势与微重力样品基本相似,W元素含量的分布则与微重力样品明显不同,大部分凝固阶段呈上升趋势,使枝晶间液相的密度沿逆重力方向提高。上述结果表明,在重力条件下凝固前沿溶质密度差导致的对流作用微弱,不是造成枝晶间距增加的主要原因,主要原因应该与凝固前沿热对流造成的温度梯度的降低有关。     

二元包晶合金定向凝固研究进展

针对二元包晶合金定向凝固,本文评述了其近年来的理论和实验研究进展,内容包括包晶合金的相选择、两相形核、带状组织以及耦合生长等方面.讨论了定向凝固过程中相和微观组织选择机制,实验中所观察到的带状组织及其形成原因,以及由岛屿带状组织转变成初生相和包晶相的耦合生长组织.     

合金成分对Mg-Zn-Y合金准晶形貌和体积分数的影响

利用铁模铸造法制备Zn/Y=6:1(原子比)的Mg-Zn-Y合金,通过XRD,SEM,EDS,TEM和DSC等研究合金成分对Mg-Zn-Y合金相组成、Mg_3Zn_6Y准晶相(准晶Ⅰ相)形貌和体积分数的影响。结果表明:Mg-Zn-Y合金的相组成、准晶Ⅰ相形貌、体积分数及其生成反应与合金成分密切相关。随着合金中Zn和Y元素含量的减少,准晶Ⅰ相的形成反应由单一的包晶反应到包-共晶反应再到完全共晶反应。当合金中Y含量≥7%(原子分数,下同)时,合金由(Mg, Zn)_5Y、准晶Ⅰ相、Mg_2Zn_3和Mg_7Zn_3相组成,且以叠层状形式分布在合金组织中。合金在凝固过程中通过包晶反应形成多边形块状准晶Ⅰ相;当Y含量<7%时,合金中除(Mg, Zn)_5Y、准晶Ⅰ相和Mg_7Zn_3相外,还析出了Mg相。当合金中Y含量在5%～7%时,准晶Ⅰ相通过包晶和共晶反应生成,以共晶反应为主。当Y含量≤4%时,准晶Ⅰ相完全通过共晶反应形成(Mg+I-phase)层片状共晶组织。所研究的合金中均生成了体积分数大于27%的准晶Ⅰ相,Mg₃₀Zn₆₀Y₁₀合金中准晶Ⅰ相的体积分数最高,约为77%。     

电场对定向凝固类包晶合金凝固组织的影响

为研究直流电流对亚包晶合金凝固过程的影响,选用与亚包晶合金都存在相似凝固过程的AMPD-4.1%SCN透明亚包晶模拟物为研究对象。使用显微镜感光器件(CCD)和智能通讯测温仪表对实验过程进行实时拍照和温度记录,研究了亚包晶透明模拟物在电场作用下的结晶过程和晶体生长规律。结果表明：在电场的作用下,由电迁移效应使定向结晶的亚包晶模拟物的初生β相颗粒逐渐向正极方向迁移,使凝固界面前沿的液相成分与包晶点的成分(0.05%SCN,原子分数)接近,从而促进包晶反应的进行;电场的作用使电流偏聚产生的焦耳热效应和溶质富集引起的成分过冷,使定向凝固的枝晶尖端产生特殊分裂的生长形貌,使枝晶尖端分裂,枝晶间距减小。     

定向凝固Cu-Cr自生复合材料的微观组织演变

为了研究定向凝固Cu-Cr自生复合材料的微观组织构成及其在不同凝固速度条件下的组织演变,在高梯度定向凝固装置上制备了Cu-1.0%Cr、Cu-1.7%Cr(质量分数)两种成分的Cu基自生复合材料,采用金相显微镜、扫描电镜以及能谱分析进行了微观组织观察和相的成分分析.研究表明:Cu-1.0%Cr亚共晶合金定向凝固组织为初生α相和棒状(或针状)共晶体(α β)的混合组织;Cu-1.7%Cr过共晶合金为α相、初生β相和共晶(α β)的混合组织;随着凝固速度的提高,α相一次胞(枝)晶逐渐细化,晶间距逐渐减小;共晶体(α β)分布在α相胞(枝)晶间,起到强化基体的作用;初生β相呈颗粒状不均匀地分布在α相基体上.     

冷却速度对无铅焊料Sn-3.5Ag合金微观组织和显微硬度的影响

在～102K/s、～103K/s和～104K/s的冷速条件下研究了凝固速度对无铅焊料Sn-3.5Ag合金微观组织和显微硬度的影响.结果表明:由于非平衡凝固条件下动力学过冷的影响,导致了该共晶合金实际凝固过程开始于平衡共晶凝固点以下,合金凝固组织中包含初生β-Sn枝晶,且该初生β-Sn枝晶组织随合金凝固速度的提高而发生细化.另外,维氏硬度测试结果表明,无铅焊料Sn-3.5Ag合金在不同冷速条件下的凝固组织与显微硬度的关系符合经典Hall-Petch关系式,即初生β-Sn枝晶细化能显著提高焊料合金的显微硬度.     

冷却速度对无铅焊料Sn-3．5Ag合金微观组织和显微硬度的影响

在～10^2K／s、～10^3K／s和～10^4K／s的冷速条件下研究了凝固速度对无铅焊料Sn-3．SAg合金微观组织和显微硬度的影响。结果表明：由于非平衡凝固条件下动力学过冷的影响，导致了该共晶合金实际凝固过程开始于平衡共晶凝固点以下，合金凝固组织中包含初生β-Sn枝晶，且该初生β-Sn枝晶组织随合金凝固速度的提高而发生细化。另外，维氏硬度测试结果表明，无铅焊料Sn-3．5ag合金在不同冷速条件下的凝固组织与显微硬度的关系符合经典Hall-Petch关系式，即初生β-Sn枝晶细化能显著提高焊料合金的显微硬度。     

深过冷Cu-Pb偏晶合金的快速凝固行为和凝固组织

用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法,研究了亚偏晶Cu-25%Pb合金,Cu-37.4%Pb偏晶合金和过偏晶Cu-40%Pb(质量分数)合金过冷熔体凝固行为和凝固组织的演化规律,以及Cu-37.4%Pb偏晶合金的过冷度对磨损率的影响.研究表明:在过冷亚偏晶Cu 25%Pb合金熔体凝固过程中先形成α(Cu)初生相,随着过冷度的增大,凝固组织经历粗大枝晶重熔形成的细化枝晶向准球状晶粒演化的过程;在过冷Cu-37.4%Pb偏晶合金熔体凝固过程中初生相为L2相,当过冷度在20～150 K区间时,得到第二相S(Pb)弥散在α(Cu)枝晶间的凝固组织,并且在该过冷区间内随着过冷度的增加,材料的磨损率也逐渐降低;在过冷过偏晶Cu-40%Pb合金熔体凝固过程中初生相为L2相,在过冷度区间42～80 K时,得到以偏晶胞形式分布的凝固组织.     

深过冷Sb-Sn过包晶合金的快速凝固

采用落管无容器处理技术研究了Sb74.7Sn25.3二元过包晶合金的快速凝固,获得的合金粒子直径D介于70～1080μm之间。理论计算表明,随着粒子直径的减小,过冷度和冷却速率均呈指数关系增大,最大过冷度为298K(0.36TL)。研究发现,在自由落体条件下,快速凝固组织由初生Sb固溶体相和包晶SbSn金属间化合物相组成,Sb固溶体相以非小平面和小平面两种生长方式长大。当过冷度增大时,释放的熔化潜热增多,初生相逐渐细化,非小平面初生Sb相由"粗大枝晶"向"碎断枝晶"转变,当D<400μm时,一次枝晶臂显著变短,二次枝晶间距明显减小;同时发生溶质截留现象,初生Sb固溶体相中溶质Sn的固溶度发生了显著拓展,由ΔT=32K时的7.86%(原子分数,下同)线性增大至ΔT=298K时的10.47%。     

微重力条件下偏晶合金的研究进展

介绍了重力对偏晶合金凝固过程的影响,综述了微重力环境下偏晶合金凝固研究中的新进展,总结了不同磁场模拟微重力环境下的实验研究成果,探讨了不同微重力条件制备偏晶合金的特点,指出了利用磁场制备偏晶合金的发展前景,最后提出了微重力条件下偏晶合金今后研究的方向和途径。     

Nd-Fe-B包晶合金定向凝固组织的研究

利用亚快速定向凝固设备制备Nd-Fe-B合金,并研究了其定向凝固组织.设计合金成分为:亚包晶成分(Nd10.8Fe83.8B5.4)、包晶成分(Nd11.76Fe82.36B5.88)和过包晶成分(Nd13.5Fe79.75B6.75).对抽拉速率在5～500μm/s范围内合金的定向凝固及微观组织的研究表明:三种成分Nd-Fe-B合金的最终凝固组织均由α-Fe枝晶相、包晶Nd2Fe14B相和富Nd相组成;随着抽拉速率的提高,α-Fe相的一次枝晶间距呈减小的趋势;三种成分凝固组织中的α-Fe相的体积分数随着抽拉速率的提高都表现出了先减后增的趋势,而Nd2Fe14B相的体积分数都表现出了先增后减的趋势.     

微重力条件下单晶合金的凝固生长

单晶合金由于没有晶界缺陷而具有特殊的理化性能,如镍基单晶高温合金是先进航空航天发动机和燃气涡轮发动机关键材料,具有优异的高温使役性能。单晶合金的特色结构决定了它只能通过凝固的方式获得,因而凝固过程对单晶合金的组织结构、成分分布乃至理化性能具有难以磨灭的影响。如以枝晶结构为主要特征的单晶合金中的枝晶结构参数、合金元素的宏观与微观偏析都与凝固过程参数(如凝固速度、温度梯度等)密切相关。研究表明,重力导致的各项效应(如浮力对流、沉降和流体静压等)直接或间接地影响凝固过程参数,并且是导致成分偏析和凝固缺陷的重要原因。但在常规地面条件下由于无法有效去除重力影响,因而难以清晰揭示凝固过程中的重力效应及其作用规律。而在微重力环境中,这一难题将迎刃而解。因此,近些年来国内外一些学者利用空间或模拟微重力环境,对重力对单晶凝固行为的影响及其在缺陷形成中的作用进行了研究。这些研究对于获得良好的单晶凝固组织、避免凝固缺陷的形成,以及提高单晶合金的质量和性能都有着重要的意义。综述了目前国内外微重力下单晶生长研究的相关进展,并对未来研究进行了展望。     

一种含铼多晶铸造高温合金的凝固行为

在多晶铸造高温合金中加入铼并观察其铸态组织,发现在(γ+γ')共晶附近有μ相和类树枝晶γ'相析出,测定合金中各种相的形成顺序和共晶反应偏析,分析了初生μ相和类树枝晶γ'相的形成机理,研究了Re在多晶铸造高温合金凝固过程中的作用和对合金凝固组织的影响.     

Cu-Cr合金初生相对共晶生长的影响机制研究

制备了定向凝固Cu-1.0%Cr亚共晶自生复合材料,研究了初生α相生长对共晶生长的影响机制,探讨了亚共晶合金中共晶的生长规律.研究结果表明,Cu-1.0%Cr合金定向凝固时,在初生α相间生长的共晶受到初生相生长的影响,在热场不定向和生长空间受限的双重作用下,共晶无定向地杂乱生长.初生α相的生长引起枝晶间液相溶质分布的变化,随着凝固速度的增大,初生α枝晶间液相溶质的浓度分布趋于平缓,成分趋近于CE.Cu-1.0%Cr合金在快速凝固条件下,初生α相生长改变了共晶的生长环境,致使形成非平衡凝固组织--离异共晶.     

热浸镀锌用Zn-Ni合金凝固组织的研究

用扫描电镜、电子探针及X射线衍射等分析方法研究了Zn-0.24Ni%Ni、Zn-0.5%Ni及Zn-2%Ni三种热浸镀锌用合金在不同冷却速度下获得的凝固组织特点.结果表明:Zn-0.24%合金炉冷和空冷时的凝固组织为典型的棒状共晶,水冷时为离异共晶,合金相粒子细小且分布均匀;相同冷却速度下,Zn-0.5%Ni和Zn-2%Ni合金中的合金相粒子尺寸相当,但前者凝固组织中的合金相粒子均为δ相,而后者主要为γ相粒子且数量更多.冷却速度的提高,有利于不同成分的Zn-Ni合金获得较小的合金相粒子,且分布更均匀.     

磁场作用下偏晶合金凝固组织演变的数值分析

建立偏晶合金难混溶区凝固过程的两相数学模型,模拟研究了有、无磁场Al-10%Bi过偏晶合金微观组织演变,研究了温度、速度、第二相体积分数等物性参数对凝固组织宏观偏析的影响。结果表明,在磁场作用下温度场为中心对称分布,更有利于第二相液滴的均匀分布;电磁力抵消了部分重力和Marangoni力,使无磁场时外环流的速度场变为有磁场时斜向下的速度场,且速度明显降低,从而减轻了强对流导致的重力偏析;在磁场的作用下,试样底部第二相的体积分数减小,凝固组织宏观偏析得到改善。     

过偏晶Cu-40wt%Pb合金的均质化凝固

利用电磁模拟微重力和深过冷的方法,对过偏晶Cu-40wt%Pb合金的凝固组织进行了研究.比较了通过上述方法得到的凝固组织与常规凝固条件下的凝固组织,结果表明:采用电磁模拟微重力方法的凝固过程中没有出现Stocks沉积效应,得到的凝固组织中Pb颗粒均匀地分布在Cu基体上;而采用深过冷方法获得的凝固组织中,过冷度在40～80K区间内Pb以纤维和颗粒的形式均匀分布在Cu基体上,并随过冷度的增加其分布的不均匀性亦增加.当过冷度超过80K时,第二相的重力沉积明显增加,并随过冷度的增加凝固组织中出现了与常规条件凝固一样的分层现象.