定向凝固过共晶合金Al-Al_2Cu的组织演化及取向分析

采用恒速及跃迁减速定向凝固方法制备了Al-40%Cu(质量分数)过共晶合金,对金属间化合物初生Al2Cu相的组织及取向演化进行了研究.结果表明,当定向凝固速率恒定为10μm/s,抽拉100 mm时,合金成分随着凝固距离的增大而减小,初生Al2Cu相枝晶由规则棱面V型转变为非棱面形貌,在抽拉距离80 mm附近消失,其生长方向由[110]方向转变为(121)晶面的法线方向;当定向凝固速率由10μm/s跃迁减速至2μm/s时,合金成分在变速界面后随着凝固距离的增大先增大后减少,初生Al2Cu相枝晶由规则棱面V型变为非棱面长条状形貌而后消失,其体积分数先增大后减少,Al2Cu相的生长方向由[110]方向转变为平行于热流方向的[001]方向.定向凝固恒速与跃迁变速下初生Al2Cu相枝晶生长机制存在异同,凝固工艺参数成为影响枝晶最终组织形态和生长方向的主要因素.     

凝固速率跃迁对定向凝固Al-40%Cu过共晶合金初生Al_2Cu相的影响

采用高温度梯度定向凝固装置进行了Al-40%Cu(质量分数)过共晶合金的定向凝固实验,研究了凝固速率跃迁过程中的凝固组织演变.结果表明,当定向凝固速率从10μm/s跃迁减速到2μm/s时,由于固/液界面附近的液相成分向共晶点成分变化以及耦合共晶组织的界面生长温度高于初生Al_2Cu相的界面生长温度,合金凝固组织从初生Al_2Cu枝晶和Al/Al_2Cu共晶组织转变为全耦合层片共晶组织.组织转变过程中,板条状的初生Al_2Cu相先分解成小尺寸的初生相,然后小的初生相逐渐被共晶组织所取代,这种组织转变是凝固界面前沿液相中溶质扩散不足造成的,而不是由合金中存在的热及溶质对流引起的.在初生相生长形态中,由于凝固速率跃迁引起的界面前沿液相中Cu成分富集,造成凝固界面生长温度升高,Jackson因子α变小,Al_2Cu初生相由小平面相向非小平面相转变.     

定向凝固速率对Al-Al_2Cu过共晶合金中组织形态及取向变化的影响

对Al-40%Cu(质量分数)过共晶合金在2、10和100μm/s速率下进行定向凝固实验,观察了不同速率下的组织形态,并分析造成组织形态差异是由于各相之间的竞争生长所致;采用X射线衍射技术对过共晶合金中Al_2Cu相进行宏观极图测试并计算其取向分布函数(ODF),同时采用EBSD技术对定向凝固样品进行微观取向测试。结果表明:当定向凝固速率为2μm/s时合金组织为全共晶组织(Al/Al_2Cu),其中的Al_2Cu相取向集中在(001)方向;随着凝固速率增加到10μm/s时,Al_2Cu相优先共晶相生长形成初生Al_2Cu相枝晶组织,具有小平面相生长特征,其取向主要集中在(001)方向;当凝固速率达到100μm/s时,Al_2Cu相枝晶为非小平面特征的复杂枝晶形貌,其取向集中在(100),(110)和(001)等方向;且Al_2Cu相枝晶沿着平行于定向凝固热流方向生长。XRD宏观取向结果表明,取向更为集中的定向凝固组织在相对较低的抽拉速率下可以得到很好地控制。     

纵向磁场对Al-40%Cu过共晶合金定向凝固显微组织的影响

研究了纵向磁场对Al-40%Cu(质量分数)过共晶合金定向凝固显微组织的影响.结果表明,在温度梯度G_L=42.6K/cm,生长速率R=2μm/s,施加弱磁场时,Al_2Cu初生相由规则小平面状逐渐变得不规则,并趋向于非小平面方式生长,热电磁对流效应在不同尺度下影响界面前沿溶质分布及各相生长温度,微观尺度下影响初生相形貌,宏观尺度下改变糊状区长度,引起宏观偏析;施加较强磁场后,初生相呈现不规则胞状组织并紧密定向排列,这一现象主要归因于内生热电Lorentz力及磁晶各向异性.     

冷却速率对Zn-30Al-1Cu合金组织的影响

采用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜和X射线衍射仪研究了冷却速率对Zn-30Al-1Cu合金微观组织的影响.结果表明,Zn-30Al-1Cu合金初始凝固组织主要由初生相α’相、包围在初生相周围的包晶β相和共析组织(α+η)组成,共析组织由包晶β相分解而来.凝固后期共析胞向枝晶中心生长,使α相分解为层片α+η组织.随冷却速率增大,初生相由枝晶状变成等轴晶粒,尺寸也越来越小,沉积态晶粒尺寸最细小,铸态晶粒尺寸最大.冷却速率提高Cu元素在基体相中的固溶度,沉积态合金中没有发现富铜相ε,Cu元素全部固溶到基体中;普通铸造和快速凝固合金中均发现富铜相ε,它们存在于枝晶间和η相中.     

Al-Cu合金共晶凝固组织形貌及其影响因素

利用光学显微镜、扫描电镜等仪器研究了Al-Cu合金中α-Al及θ-Al2Cu相的生长行为,成分及冷却速度对共晶组织形貌的影响.结果发现,在过共晶组织中,初生θ-Al2Cu相形貌大部分有明显的拐角,呈现小平面生长特性.在α-Al与θ-A12Cu相共晶耦合生长时,θ-Al2Cu择优生长特征削弱,与α-Al耦合生长呈现非小平面-非小平面生长.在亚共晶组织中,出现了θ-Al2Cu包裹着初生α-Al相的晕圈组织.随着冷却速度的加大,共晶组织细化,初生α-Al相枝晶发达,初生θ-Al2Cu由大块板条状向短矩形转变.     

Mg30Zn60Y10合金中二十面体准晶相的生长及形态演化

利用楔形铜模具激冷浇注方法和SEM、XRD、DTA、TEM等分析手段,研究了Mg30Zn60Y10合金中二十面体准晶相(I-相)的形成过程和不同冷速下该合金的凝固组织.研究结果表明,在中等冷速下,I-相主要以初生相与剩余液相发生包晶反应形成.随着冷速的增大,I-相的生长形貌将由棱面状向枝晶状转变.当冷速大到一定程度时发生初生相的相选择.在利用DTA分析I-相的形成温度时发现,包晶反应即I-相开始形成的温度受分析时采用的温度变化速率影响.     

Pb-Bi包晶合金定向凝固微观组织演化

对Pb-(26,28,30,34)Bi(质量分数,%,下同)包晶合金进行平界面生长的低速定向凝固到枝晶状生长的高速定向凝固实验,研究了Pb-Bi包晶合金的微观组织形成及其演化。实验结果表明,在温度梯度G=30K/mm条件下,当凝固速度V=0.25μm/s时,初生α相和包晶β相均以平界面生长,凝固组织的演化过程为:单相初生α相→两相竞争组织→β单相。V=0.5μm/s时,定向凝固组织的演化过程为:单相初生α相→胞状α相+胞间包晶β相→α+β两相竞争组织→β单相。在G=20K/mm条件下,当凝固速度V=1μm/s时,初生α相以胞状领先生长,包晶β相则在胞状α间形核生长,并包裹住α胞。当凝固速度增加至V≥2μm/s时,初生α相由胞状转变为枝晶状,包晶β相则在枝晶间包围α枝晶。     

定向凝固Al-Y合金组织演化规律及小平面相生长 Ⅱ.Al-53%Y包晶合金组织演化规律

对Al-53%Y(质量分数)包晶合金在1~100μm/s的抽拉速率下进行定向凝固实验,研究了合金组织演化及包晶合金中两相的竞争和生长行为.结果表明,铸态Al-53%Y合金的显微组织主要由初生Al2Y相、包晶Al3Y相和Al3Y/Al共晶体组成.在低速1μm/s定向凝固过程中,初生相与包晶相均连续生长,出现了平行于固/液界面的近似带状组织.随着凝固距离的增加,固/液界面处的领先相由初生Al2Y转变为包晶Al3Y,固/液界面为粗大条形Al3Y相,而无初生相.在较高抽拉速率的定向凝固过程中,随着抽拉速率的增加,Al2Y相由平界面生长转变为胞状形态,后又转变为枝晶状.包晶相Al3Y最初以锯齿状包裹在初生相表面,同时在液相中以细针状直接析出,抽拉速率越大,包晶相Al3Y数量越多且尺寸越细小.随着凝固距离的延长,包裹初生相的包晶相厚度增加,体积分数增大.另外,从液相中直接析出的Al3Y相逐渐长大,由细针状变为短棒状、块状,均匀分布在包晶组织周围并与之相连接.     

Mg-Zn-Y三元合金中二十面体准晶相生长形貌及其演化

采用常规凝固方法在Mg-Zn-Y三元合金系中获得了大体积分数的二十面体准晶。二十面体准晶相有2种典型形貌特征：一种为花瓣状，另一种为多边形形状。这是准晶在生长过程中形貌演化的结果。合金的成分和冷却速率是影响准晶形貌的主要岗素。准晶合金中生成的低温相越多，冷却速率越慢，准晶相生长的时间和空间条件越好，准晶相越容易由花瓣状演化成多边形状。准晶的形成有包晶反应参与，包晶反应是一种由初生固态相扩散控制的反应，因此，准晶在生长初期和最终形态其元素含量有明显差别，分析表明，准晶生长初期Mg元素含量偏低，Zn和Y元素含量偏高。     

熔体状态与冷速对Pb-Sb90合金初生相生长形貌的综合作用

首先探索了Pb-90％Sb合金熔体升、降温过程电阻率-温度行为,其结果提示升温过程在861 ～ 1100℃区间发生不可逆熔体结构转变;进而探讨了不同凝固条件下熔体状态与冷速对其初生相(Sb固溶体)结晶形貌的综合作用.结果表明:凝固过程冷速较慢时,转变前、后两种不同状态熔体凝固后,初生相形貌均为小平面生长特征的棱角分明多面体.随着冷却速度的提高,初生相的棱角被钝化,且树枝晶比例逐渐增多;另一方面,结构转变后的熔体状态增强了初生相形貌发生改变的这一效果.当冷速增至一定程度,转变后结构状态的熔体凝固初生相形貌完全转化为非小平面生长特征,棱角分明的多面体已不复存在.     

冷却速度对过共晶铝硅合金凝固组织和耐磨性能的影响

试验研究了在不同的冷却速度下凝固的Al-20%Si和Al-30%Si(质量分数,下同）合金的组织和耐磨性。实验结果表明,冷却速度对过共晶铝硅合金的凝固组织和耐磨性能有显著的影响。随着冷却速度的增加,Al-20%Si和Al-30%Si合金的凝固组织组成,初生硅的形貌和尺寸都发生明显的变化：冷却速度小于0．1K/s 的炉冷试样和冷却速度小于1K／s耐火砖型铸造试样的凝固组织由（α＋Si)共晶和初生Si相组成,初生Si相呈粗大的片状,共晶Si呈针状;冷却速度约10K/s的金属型铸造试样的凝固组织由（α＋Si)共晶,枝晶状α相和初生Si相组成,初生Si相为块状或长条状,共晶Si呈细小的针状,并且凝固组织中出现的枝晶状α相;凝固速度为（10^3-10^5)K/s的过喷粉末的凝固组织也是由（α＋Si)共晶,枝晶状α相和初生Si相组成,初生Si相为块状,而喷射沉积快速凝固Al-20%Si和Al-30%Si合金的沉积组织都是由Si相和α相组成,细小的Si相均匀分布在α基体中。随着冷却速度的增加,Al-20%Si和Al-30%Si合金的凝固组织中初生硅的尺寸明显减少,磨损机制发生变化,合金的耐磨性显著增加。     

急冷条件下Cu-Sn合金的快速枝晶生长

研究快速凝固Cu-xSn（x=7％，13．5％，质量分数）合金的相结构、组织形态和枝晶生长特性，将金属熔体热传导方程与Navier-Stokes方程相耦合，从理论上计算液态合金的冷却速率。结果表明：在急冷快速凝固条件下，Cu-7％Sn合金形成过饱和的单相α-Cu固溶体组织：Cu-13．5％Sn合金形成以亚稳的Cu137Sn相为主相、α-Cu为第二相的快速凝固组织：随着冷却速率的增大，溶质截留效应增强，合金相结构由复相向单相转变；沿垂直于辊面方向上合金的组织形态依次为近辊面细小等轴晶、中部柱状晶及自由面粗大等轴晶：增大冷却速率，晶体形态由柱状晶向等轴晶转变：在急冷快速凝固过程中，α-Cu和Cu137Sn相均以枝晶方式生长；随温度梯度的增大，晶体生长速率呈线性增大。     

定向凝固Cu-10.25%Mg过共晶合金中初生Laves相Cu2Mg枝晶三维形貌

采用连续切片技术重构了定向凝固Cu-10.25%Mg过共晶合金中初生Laves相Cu₂Mg的三维枝晶形貌.结果表明,Cu₂Mg二次枝晶的三维生长形态在不同凝固环境中呈现"八面体"、"棱面"或"板条"状,侧枝生长形态不对称,二维截面组织中沿生长方向不连续的枝晶实质上是枝晶二次侧枝的横断面组织,部分沿生长方向分叉的枝晶仅是某个初生枝晶一次轴的局部,而非二维截面组织推断出的初生桉晶分叉现象.20μm/s抽拉速率下合金的一次和二次枝晶间距分别为112.53和40.78μm,该值与凝固分数f_s=0.6时侧枝呈现"板条"枝晶的一次和二次枝晶间距测量值123.30和44.82μm相近,比f_s=0.8时侧枝呈现"八面体"枝晶的值198.00和47.66μm要小.三维初生Cu₂Mg枝晶"八面体"、"棱面"和"板条"侧枝的生长速率数值分别为1.40.1.94和2.66μm/s,比一次技晶主干生长速率要小近一个数量级.     

快速凝固Cu-Sn合金的组织形态及相结构

研究快速凝固Cu-20%Sn亚包晶合金的相结构、晶体生长行为和组织特征,分析冷却速率与组织形成之间的相关规律。结果表明:在急冷快速凝固条件下,合金的包晶转变和共析转变均受到抑制,形成了以亚稳的Cu5.6Sn金属间化合物为主相的快速凝固组织;随着冷却速率的增大,-αCu相含量减少,Cu5.6Sn相数量显著增多;晶体生长的方向性增强;Cu5.6Sn生长方式由小平面向非小平面生长转变,组织形态由粗大板条状向细密柱状转变。TEM分析表明:在Cu5.6Sn晶内存在大量的位错塞积及孪晶;孪晶之间相互平行,间距约25~80 nm;随冷却速率的增大,位错密度增大,孪晶数量增多。     

冷却速率对Mg-Gd-Y-Zr合金凝固组织的影响

通过改变凝固过程中的冷却速率,研究了冷却速率对Mg-Gd-Y-Zr合金凝固组织与成分微观偏析的影响.随冷却速率提高,合金组织明显细化,初生相形貌由粗大等轴枝晶逐渐向细小树枝晶转变,合金凝固过程中形核率增加,合金晶粒尺寸逐渐减小;冷却速率的提高可以降低溶质元素的扩散速率,从而增加合金元素在枝晶干中的固溶度,减轻凝固过程中合金元素Gd与Y的微观偏析,同时使凝固过程中形成的共晶减少,共晶组织分布更加弥散、均匀.     

K_2ZrF_6对A356合金凝固组织及力学性能的影响

在A356合金熔体中加入K2ZrF6,主要研究不同K2ZrF6含量对A356合金凝固组织及力学性能的影响。结果表明,随着K2ZrF6加入量的增加,初生α-Al相形貌由粗大的树枝晶状转变为细小的等轴枝晶状。共晶Si相形貌随着K2ZrF6加入量的增加,由粗大针片状逐步转变为蠕虫状和颗粒状,但当加入量超过1.0%后,合金出现过变质现象。随着K2ZrF6加入量的增加,合金的力学性能呈先增加后减小的趋势。当加入1.0%的K2ZrF6时,合金抗拉强度和伸长率相比未处理的合金,分别提高了29%和95%。     

Al-Cu-Si三元共晶合金的高压凝固组织

利用六面顶压机在不同高压(2、4、5、6GPa)下对Al-13.6Cu-6Si合金进行了高压凝固试验,通过光学显微镜、场发射扫描电镜、X射线衍射仪对高压凝固合金的相组成及显微组织形貌进行了分析,并测定了其硬度。结果表明,高压下凝固的Al-13.6Cu-6Si合金的相组成与常压凝固合金相比没有发生变化,仍由α-Al相、θ-Al2Cu相和β-Si相组成;但显微组织形貌显著改变,由常压下凝固的共晶组织转变为高压下凝固的以枝晶状α-Al为初生相领先生长的亚共晶组织;高压凝固后合金硬度显著提高,并且硬度随压力的增加而增高,在压力为5GPa时达到最大值。     

定向凝固Al-38.5%Cu合金中Al_2Cu相的小平面特性

采用定向凝圊技术,研究了Al-38.5wt%Cu合金中,Al2Cu相的生长行为.结果发现,在凝同速度较低时,过共晶Al-Cu合金中初生Al2Cu相形貌大部分有明显的拐角,观察其平面,有的呈矩形,呈现小平面生长特性,随着凝同速度的提高,初生Al2Cu相的结晶特性由小平面向非小平面转化;而а-Al相与Al2Cu相共生生长时.Al2Cu相择优生长特性消弱,与а-Al相耦合生长,呈现非小平面一非小平面生长.     

定向凝固Al-40%Cu合金三维微观组织重构及共晶间距演变

本文利用连续切片技术研究了定向凝固Al-40%Cu过共晶合金中金属间化合物Al₂ Cu初生相的三维微观组织,以及抽拉速率跃迁下,三维共晶组织形态的演变和间距调整.结果表明:抽拉速率为5μm/s时,初生Al₂Cu三维组织沿生长方向存在棱面和棱角,表现出明显的棱面相生长形态;凝固过程中初生Al₂Cu相释放的结晶潜热使得生长界面发生局部重熔,三维组织中出现孔洞,形成拓扑缺陷.在Al-40%Cu合金三维共晶组织中,Al₂Cu相和Al相的体积分数分别为56.8%和43.2%,且Al₂Cu相的生长方向与试样轴向夹角为5.1°.当抽拉速率从2μm/s突然跃迁到500μm/s时,三维共晶组织形态从层片向棒状转变,这种转变不是由合金中两相体积分数变化造成的.三维共晶组织间距调整机制不同于二维组织中的分叉、内凹和界面重新形核,而是通过三维空间非同一平面连续的分叉、分枝进行,在三维下并没有观察到二维下的重新形核共晶间距调整机制.