探究二元共晶的生长过程:实时原位观察、数值模拟与解析解研究

由定向凝固法在一定凝固速度范围内制备得到的共晶通常为层状或棒状结构共晶。层状和棒状二元共晶合金具有优良的物理、化学和力学性能,被广泛应用于航空航天和汽车等领域,应用前景广阔。值得指出的是共晶合金已被应用于飞机发动机的涡轮叶片。近几十年来,国内外研究人员已经从共晶生长的实时原位观察实验、数值模拟和解析解计算三个方面展开了大量研究。共晶间距对共晶合金的性能具有显著影响,进而影响共晶合金在实际中的应用。在共晶生长过程中,工艺参数如凝固速度、共晶成分、固相体积分数、温度梯度、合金的初始浓度等是共晶间距的重要影响因素。此外,共晶形貌受共晶生长的稳定性和相界各向异性的影响。因此,研究人员在进行共晶生长的实时原位观察实验、数值模拟和解析解计算时主要关注工艺参数对共晶间距和共晶形貌的影响规律。大量的实时原位观察实验和数值模拟的研究结果表明,当凝固速度和合金的初始浓度增大时,层状共晶或棒状共晶间距减小。共晶成分发生变化时,共晶结构在层状和棒状之间发生转变。此外,共晶结构的转变条件依赖于α和β固相体积分数,当α和β两固相体积分数相差较大时,共晶倾向于形成棒状结构。当α和β两固相体积分数相接近时,共晶倾向于形成层状结构。同时,研究人员已经建立了共晶生长的数学模型并使用数学方法计算获得了共晶生长的解析解,进而研究了工艺参数对界面形貌和临界共晶间距的影响规律。本文从定向凝固条件下层状共晶和棒状共晶生长的实时原位观察的实验研究、数值模拟和解析解计算三方面分别阐述了工艺参数对共晶间距和共晶形貌的影响规律;重点阐述了在层状共晶和棒状共晶生长过程中,工艺参数如凝固速度、共晶成分和固相体积分数对共晶间距的影响规律;概述了相界的各向异性及共晶生长的稳定性对共晶形貌的影响规律。此外,对一种特殊的二元棒状共晶生长的实时原位观察和解析解计算进行了介绍,指出了目前该研究领域存在的一些问题,并对未来的研究工作进行了展望。     

试样盒厚度和超声振动对共晶生长的影响

采用实时观测装置和定向凝固系统研究了SCN-Cam(Succinonitrile-wt%Camphor,wt%为质量分数)模拟合金的共晶生长过程。实验结果表明,SCN-23.6%Cam共晶模拟合金所形成的棒状共晶的相间距λ随着界面推移速度V的增大而减小,与J-H模型吻合得较好;随着试样盒厚度的增加,SCN-23.6%Cam模拟合金的棒状共晶相间距增大;施加超声振动时,SCN-Cam模拟合金相图的共晶成分点向SCN方向移动,α单相区和(L+α)两相区减小,共晶线温度升高。     

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.     

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。     

SCN-Cam共晶合金的定向凝固研究

采用实时观测装置和定向凝固系统研究了SCN-Cam(Succinonitrile-wt%Camphor,wt%为质量分数)模型合金的凝固过程.实验结果表明,SCN-23.6%Cam共晶合金在常规条件下形成规则的共晶组织,共晶间距随界面推移速度的增大而减小;加入超声振动时,共晶合金生长出初生相;SCN-21%Cam亚共晶...     

规则共晶初始过渡区非稳态扩散场与形态演化

通过求解时间相关的非稳态扩散方程,详细分析了共晶强制生长初始过渡过程并导出其非稳态溶质扩散场,发现生长速度 V 是初始过渡区溶质分配的最主要影响因素,其次为共晶相间距λ、溶质扩散系数 D 等系统参量,透明共晶系 CBr_4-11.1wt-%C_2Cl_6实验证实了理论分析的规律。     

共晶强制性熔化的界面形态

对透明共晶系ＣＢｒ４－８．４ｗｔ－％Ｃ２Ｃ１６生长的典型层片共晶组织强制熔化进行实时实地观测．表明相对于强制生长时的“界面滞后”现象，熔化界面温度高于静止时界面温度，熔化界面比静止界面更靠近热端，称为“界面超前”．随熔化速度增大，“界面超前量”增大；共晶组织分层熔化，出现两个熔化界面，α和β相熔化秩序不同，α，β相分别单独熔化，两熔化界面的相对位置由α，β相成分，熔化速度和共晶相间距等因素决定．     

深过冷Ni-Sn合金非规则共晶的形成机制

采用熔融玻璃净化配合循环过热使Ni-32.5%Sn(质量分数)共晶合金实现了深过冷快速凝固.当过冷度大于某一临界值时,非规则共晶在凝固组织中出现.随着过冷度的提高,最终得到完全的非规则共晶组织.通过分析Ni-Sn共晶合金中各相形核、生长、以及枝晶熔断机制随过冷度的变化,解释了非规则共晶的形成机制.在深过冷条件下熔体中初生相率先形核并长入过冷熔体中,形成枝晶骨架,再辉重熔后次生相从残余熔体中析出并包围初生相,形成非规则共晶.     

氧化铝／锌合金复合材料的凝固组织及其共晶转变模式

研究了氧化铝／锌合金复合材料的凝固组织及其共晶转变模式,结果表明,在复合材料中纤维与基体间存在致密界面层;合金元素通过适当的化学反应可改善纤维与基体间的结合;在凝固过程中,纤维／基体界面上的硅在共晶本的共生生长过程中起领先相作用,导致复合材料的共晶转变是由铝硅共晶转变和锌铝共晶转变两者组成。     

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。     

超重力对铅锡共晶凝固组织的影响

采用臂长为1．3m的离心机实现1、5、10、15g（1g=9．8m·s-2）四个重力水平；利用Bridgman法使Ph－Sn共晶单向凝固，以观察重力对凝固组织的影响结果表明，随重力水平的提高，共晶晶团尺寸减小，而共晶相间距不变，表明浮力才流不影响并晶相间的溶质交换     

On the non-steady-state growth of lamellar eutectics

The non-steady-state growth of the typical anomalous Al-Si eutectic is investigated experimentally by means of two methods of non-steady-state growth: abrupt change of growth rate and constant-acceleration (deceleration) growth. The uniqueness of steady-state growth of the eutectic is verified, and the details of the dependence on non-steady-state growth of the response features, such as silicon interflake spacing, to varying growth rate, are shown. A model for non-steady-state growth of a lamellar eutectic is proposed to describe the response dynamics of a eutectic: a new concept.     

超重力下Pb—Sn合金定向凝固组织和形态

采用臂长为１．３ｍ的离心机实现１、５、１０和１５克四个重力水平；利用Ｂｒｉｄｇｍａｎ法使Ｐｂ－Ｓｎ共晶在超重力下单向凝固发现Ｐｂ－Ｓｎ共晶生长形态因重力水平而异；１克时为挺直的片晶，５、１０克时呈胞枝状生长，１５克时又以一种挺直的片晶方式生长；共晶组织形态的差异是由于不同重力水平下浮力对流干扰特性不同所致。     

Al-Si共晶生长过程中Si相分枝的分维特征

本文研究了 Al-Si 共晶强制性稳态生长过程中 Si 的分枝特征,指出 Si 分枝簇是一类分维结构,并测出其分维值 D_f=1.74±0.10,此值同 Laplace 分维(LF)模拟值相近。而且测定结果表明D_f 同生长速度和温度梯度没有明显的相关关系,Si 相分枝是自相似的。讨论了 Si 相分枝生长的随机性问题。     

Response dynamics of the lamellar spacing for Al-Si eutectic during directional solidification

The response of the lamellar spacing to abrupt change of the solidifying rate for Al-Si eutectic during directional solidification has been investigated both experimentally and theoretically. When the solidifying rate was changed abruptly, the response of the lamellar spacing was gradual and retarded, which was attributed to the cluster branching and cluster terminating mechanisms of the lamellar phases. The retarded distance, as a function of the abrupt change factor, , for both >1 and <1, has been evaluated, and the uniqueness of the spacing selection has been verified. A theoretical approach of the response dynamics has been presented by considering the solute diffusion in liquid and the growth anisotropy effect of the eutectic lamella. A dynamic factor has been introduced to characterize the growth anisotropy. Excellent agreement between the theoretical approach and the measured results has been shown. Finally, this theory has been successfully applied to describe non-steady-state directional solidification of Al-Si eutectic with constant accelerating solidification rate.     

铝铜共晶合金连续定向凝固自生复合材料的组织与性能

本文采用自制的连续定向凝固装置,考察了Al-Cu共晶合金的组织形貌与抗拉强度与生长速度的关系。研究表明,Al-33.7%Cu合金的微观组织随着生长速度增大,由不规则片状组织逐步向规则片状组织,胞状组织转变,其片间距与生长速度的1/2次幂呈线性关系。连续定向凝固铸绽的抗拉强度远高于金属型试样,并与生长速度的1/4次幂呈线性变化。文章还讨论了共晶合金由规则片状组织向胞状组织转变的条件。      

AN EXAMINATION OF THE GROWTH MODELS FOR TiC WHISKERS MADE BY CVD

Whiskers of refractory compounds such as carbides, nitrides and oxides have been grown by many researchers by chemical vapor deposition. The growth of whiskers from the vapor phase has been suggested to occur by the vapor-solid (VS) and/or the vapor-liquid-solid (VLS) mechanisms. In the growth of TiC whiskers with nickel as the catalyst, the VLS mechanism is widely accepted as the primary initial growth mechanism in which a ternary eutectic of Ni, Ti and C is considered to provide the growth path for the whiskers. In this paper, we examine the published literature on the growth of TiC whiskers by several researchers and show that this view of the ternary eutectic may not explain the whisker growth at temperatures below the eutectic point of the Ti-Ni-C system. This paper attempts to formalize a VLS mechanism model based on a binary eutectic for the observed formation of whiskers at lower temperatures,     

超重和对铅锡共晶凝固组织的影响

采用臂长为１．３ｍ的离心机实现１、５、１０、１５ｇ（１ｇ＝９．８ｍ·ｓ＾－２）四个重力水平，利用Ｂｒｉｄｇｍａｎ法使Ｐｂ－Ｓｎ共晶单向凝固。以观察重力对凝固组织的影响。结果表明，随重力水平的提高，共晶昌团尺寸减小，而共晶相间距不变，表明浮力对流不影响共晶相间的溶质交换。     

Al-Si共晶系连续定向凝固自生复合材料的组织与性能

本文采用新型连续定向凝固(CDS)装置研究了Al-Si合金(成分为12.7%～16.6%Si)的可采用工艺范围、共生区及其连续定向凝固材料的组织与性能。实验结果表明,Al-Si共晶系合金通过连续定向凝固可以获得短纤维的自生复合材料.在凝固速度为0.02～2.0mm/s的范围内,随着凝固速度的增加,Al-Si共晶系合金的共晶硅形态经历了片/纤维转变,抗拉强度及延伸率随凝固速度的增加而增大。本文还分析了Si纤维的形成机制。      

二元Al-Si合金的力学性能与微结构的关系

研究了二元Al-Si合金的力学性能、氢含量和原子密度并分析了它们这间的关系,结果表明,Al-Si合金的力学性能在共晶点附近达到最佳值,其溶氢能力随Si含量的增加呈V形变化在共晶点附近达到最小值,而原子密度则呈倒V形变化。Al-Si合金力学性能的变化是其液、固态微观结构演化综合作用的结果。近共晶成分的Al-Si合金有良好的综合性能。