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.     

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。     

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Al-40%Cu共晶合金的组织特性

利用垂直Bridgman法结合液态金属冷却法在恒定的液相温度梯度(GL=250 K/cm),凝固速率由2μm/s到490μm/s之间对Al-40%Cu合金进行定向凝固实验。结果表明:Al-40%Cu合金在低速下组织为全耦合的片层共晶结构,但当速率增加时,合金组织中出现一定量的初生Al2Cu相,凝固速率对合金共晶片层间距的影响通过实验结果分析。在实验的定向凝固速率范围内,发现平界面和胞状界面生长的两种共晶界面形态,并且不管是在哪种共晶界面形态下,共晶层片间距和凝固速率的关系都符合函数关系:λ2ν=常数,利用JH模型计算得到常数C的值为12.85μm3/s。     

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.     

两种典型Al-Cu及Ni-NbC共晶合金的定向凝固组织演化

利用垂直Bridgman法结合液态金属冷却法在恒定的液相温度梯度,凝固速率由2μm/s到490μm/s之间对Al-40%Cu合金进行定向凝固实验,凝固速率由5μm/s到100μm/s之间对Ni-11%NbC合金定向凝固。结果表明:Al-38%Cu合金定向凝固下的组织为耦合的片层共晶和少量的领先相的混合结构,随着凝固速率的逐步提高,共晶界面形态由平界面向胞界面转化,且领先相为非小晶面方式生长。Ni-11%NbC合金定向凝固下的组织为全耦合生长的棒状共晶,当凝固速率有一定幅度的提高时,平界面将会失稳。且初生相为典型的小平面生长方式。采用成分过冷理论计算这两种合金系的临界平界面速度,理论和实验较为符合。     

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.     

定向凝固恒速和跃迁加速下Cu-12.58%Mg过共晶合金的凝固组织演变

在定向凝固恒速和跃迁加速下,研究了Cu-Cu2Mg过共晶合金中Cu2Mg初生相和共晶组织的变化。结果表明,在定向凝固速率5～100μm／s下,Cu2Mgg初生相领先共晶组织生长,生长方向与定向凝固方向一致,界面形态从侧枝较少的树枝晶变为间距较小的细枝晶形态。在定向凝固速率从2μm／s跃迁加速到20μm／s下,生长Cu2Mg初生相枝晶有的被抑制停止生长,有的出现细化,面共晶组织细化是通过层片中Cu相分枝进行的。研究表明,通过定向凝固跃迁加速工艺方法,可使Cu—Cu2Mg共晶组织层片间距更加细化。     

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.     

Al-40%Cu合金定向凝固过程中的微观组织分析

采用连续切片技术对Al-40%Cu过共晶合金在定向凝固过程中初生Al2Cu相的三维微观组织进行了研究,探讨了三维共晶组织在定向凝固速率跃迁条件下的演变机制和间距调节机制。结果表明:A1-40%Cu合金在定向凝固过程中,抽拉速率发生跃迁后,三维共晶组织中的层片组织转变为棒状组织,共晶组织是通过三维空间下非同一平面的分叉和分枝行为连续调整组织间距。     

定向凝固Al-Y合金组织演化规律及小平面相生长 Ⅰ.Al-15%Y过共晶合金组织演化规律

对Al-15%Y(质量分数)过共晶合金在1~100μm/s的抽拉速率下进行定向凝固实验,研究抽拉速率对组织演化及Al3Y相生长规律的影响.结果表明,铸态Al-15%Y合金主要由Al3Y先析出相和Al3Y/Al共晶体组成.在定向凝固过程中,当抽拉速率为1μm/s时,Al3Y相为不规则形状且边界清晰,为小平面的生长特性.随着抽拉速率的增加,Al3Y相的形貌逐渐转变为拉长的六棱柱形态,其中少量的Al3Y相具有中空形貌.当抽拉速率为10和20μm/s时,Al3Y相按粗大的六棱柱形态生长.进一步增加抽拉速率至100μm/s时,组织中出现"十"字形貌的Al3Y相,为2个六棱柱垂直交叉结构,类似枝晶的生长形式.在抽拉速率增加的过程中,固/液界面前沿逐渐出现领先相,且凝固速率越大,领先距离越长.     

Al-Cu-Si三元共晶合金的定向凝固组织

在5 K/mm温度梯度下,运用不同拉伸速率1、5、10、2 0、2 5和35 mm/min对Al-13.6Cu-6Si三元合金进行定向凝固试验,对定向凝固试样的横/纵截面进行显微组织观察,研究下拉速率对凝固组织的影响.结果表明,Al-13.6Cu-6Si三元合金定向凝固后获得了同一方向(即热流的反方向)生长的组织.下拉速率较小时,Al-13.6Cu-6Si三元合金组织由(α-A1+θ-A 12Cu)二元共晶和(α-Al+β-Si+ θ-Al2Cu)三元共晶组成；而当速率增大到5 mm/min及以上时,Al-13.6Cu-6Si三元合金组织中出现初生θ-Al2Cu相.在相同温度梯度时,随着下拉速率的增加,凝固组织排列更均匀有序,组织由胞状晶向柱状晶转变,且组织越来越细密.     

过共晶Al-18%Si合金受控扩散凝固组织与行为

采用受控扩散凝固(CDS)技术制备过共晶Al-18%Si合金,研究其凝固组织随低温母合金温度变化的演变规律和凝固行为本质。结果表明:受控扩散凝固能抑制初生硅相的过度各向异性生长,有效改善合金凝固组织结构。采用适当温度的Al-25%Si合金(800℃)和纯Al(580℃)混合进行受控扩散凝固时,凝固组织中初生硅相分布均匀,无宏观偏析,且其平均尺寸达到42.85μm。当纯Al温度偏低时,凝固组织中初生硅相偏聚严重;当纯Al温度较高时,凝固组织中初生硅相尺寸偏大。分析表明:在受控扩散凝固过程中,固-液界面前沿形成了较小的"成分过冷",初生硅相在过冷区内趋于平界面生长。溶质原子扩散距离的平方与平衡温度成对数关系,温度愈高,扩散愈充分,宏观偏析愈少。     

定向凝固下Cu-0.5Cr合金的界面形态和组织演化

采用定向凝固工艺研究了不同速率下Cu-0.5Cr合金的凝固组织演化。结果表明,在温度梯度为200K/cm下,定向凝固速率由2μm/s增加到500μm/s时,凝固组织依次呈现平界面组织→胞状组织→枝晶组织→细胞状组织→板条状组织。试验中凝固速率达到10μm/s后,合金定向凝固组织中存在非平衡凝固的共晶组织,其体积分数随凝固速率的增加逐渐减少。不同凝固速率下初生α-Cu的一次枝晶间距值位于KF模型和Hunt-Lu模型计算结果之间。     

热溶质对流对定向凝固Al-Al2Cu过共晶合金组织的影响

采用垂直向下的高梯度定向凝固装置，研究了有热溶质对流的Al-38．5％Cu（质量分数，下同）过共晶合金中定向凝固组织变化。结果表明：热溶质对流造成界面前沿的溶质成分（Cu元素）沿轴向减少。在定向凝固速率为5μm／s，合金溶质成分减少到37％Cu以下时，合金定向凝固组织中，初生θ-Al2Cu相会消失，组织变为全耦合生长的共晶组织。合金凝固的固相分数（fs）≥0．49时，组织变为全耦合生长共晶组织所对应的溶质成分的理论计算结果与实验结果相吻合。     

生长速度对定向凝固Ti-50Al-6Nb合金微观组织演变及其硬度的影响

对Ti-50Al-6Nb(at%)合金进行不同生长速度下的定向凝固实验,研究了生长速度对微观组织演变、相变路径、微观偏析和硬度值的影响。结果表明,在较低的生长速度下(≤10μm/s),凝固过程为完全β相凝固,固液界面随生长速度的增加发生平胞枝转变,最终得到α2/γ层片组织(在10μm/s时为α2/γ+B2相的组织),其中层片结构与生长方向呈45°或0°夹角。在较高速度(≥15μm/s)时,初生相为α相,固液界面为规则枝晶生长。最终组织为α2/γ层片组织,并与生长方向呈90°夹角。该成分合金的硬度值随着生长速度的增加而增加。与其它合金相比,该成分合金的硬度值较小。     

PdW20包晶合金的凝固组织及相选择

考察了凝固速率在50~1.8×103μm/s范围内的PdW20合金凝固组织及凝固速率对微观组织形态和领先相的影响。结果表明,三种不同凝固条件下的凝固组织由初生W相、包晶(Pd)相和固溶体Pd相组成。随着凝固速率增大,合金组织从树枝晶转变成等轴晶,晶粒大小快速减小。合金组织存在显微偏析,并且随着凝固速率增大,晶内与晶界上的成分差值减小。在3.2×102μm/s凝固速率下,观察到领先相W在进行包晶反应时不完全,还有部分W剩余。     

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。     

抽拉速率对Ti-47Al-3Nb-0.3Si定向凝固组织的影响

采用电阻加热定向凝固炉对Ti-47Al-3Nb-0.3Si合金在抽拉速率为5、15、50、100 μm/s下进行定向凝固试验,并观察和分析不同抽拉速率下的固液界面形貌、过渡区和定向生长区凝固组织.结果表明,抽拉速率为5 μm/s时,固/液界面以胞状界面向前推进,抽拉速率在15～100 μm/s时,固/液界面以树枝状向前推进,且随着抽拉速率的增大,一次枝晶间距减小.当抽拉速率为5～50 μm/s时,片层组织与生长方向夹角为45°,当抽拉速率增加到100μm/s时,片层组织与生长方向基本垂直.利用扫描电镜背散射观察定向生长区形貌发现,抽拉速率等于或大于15 μm/s时,在柱状晶内部或晶界处形成胞状Al偏析,且出现共晶γ相及Ti5(Si,Al)3相.     

抽拉速率对Ti-47.5Al-6Nb-2Cr-0.5Si合金定向凝固组织的影响

采用感应加热定向凝固炉对Ti-47.5Al-6Nb-2Cr-0.5Si(at%)合金在抽拉速率6、15、25、100μm/s下进行定向凝固实验。结果表明:抽拉速率为6μm/s时,固/液界面是胞枝状,片层取向与生长方向夹角为45°,初生相为β相;抽拉速率为15~100μm/s时,固/液界面以树枝状向前推进,且随着抽拉速率的增加,一次枝晶间距减小,片层取向与生长方向的夹角由45°向90°转变,初生相由β相转变为α相;抽拉速率大于6μm/s时,组织中出现硅化物析出相,且随着抽拉速率的增大,析出相越来越多,分布变密,沿生长方向逐渐成线条状。