抽拉速率对定向凝固Ni-45Ti-5Al合金微观组织的影响

采用Bridgman型液态金属冷却定向凝固方法,研究Ni-45Ti-5Al(摩尔分数,%)合金在不同抽拉速率(20、100和200μm/s)下定向凝固后的相组成及其形态特征。结果表明:Ni-45Ti-5Al合金定向凝固生长区呈现明显的柱状晶生长形态,定向效果良好,NiTi基体以[100]方向为择优取向,Ti2Ni析出相沿[111]晶向择优生长。随着抽拉速率的提高,Ti2Ni相更加细小、分散,由在胞晶界上几乎连续分布改变为断续分布。在20～200μm/s的宽生长速率范围内,均以胞状晶形态生长,固/液界面形态没有发生显著变化;随着抽拉速率从20μm/s增加到200μm/s,定向胞晶组织明显细化,平均胞晶间距由85μm减小到25μm。     

Ti-45Al合金的定向凝固组织

采用区域重熔定向凝固技术制备了Ti-45Al合金定向凝固试样,研究了不同参数下的凝固组织。结果表明,该合金在定向凝固过程中一次凝固可以以胞晶形式实现定向生长,胞晶内α2/γ片层方向与生长方向成45°或90°。凝固过程中稳定相β及亚稳相α同时存在,并以胞状生长,存在竞争而引起的交替现象。降速生长时定向组织比较理想。淬火实验表明,在大过冷度下亚稳α相作为领先相析出。     

扩散条件下抽拉速率对Fe-4.2Ni合金定向凝固组织演化的影响

在内径为1 mm的细管中进行了Fe-4.2Ni亚包晶合金扩散条件下的定向凝固实验.在15μm/s抽拉速率下得到了树状组织、共生组织以及δ/γ两相分离生长的凝固组织,组织演化规律为:δ单相→δ/γ两相树状组织→γ+两相共生组织→δ/γ两相分离并列生长组织;抽拉速率为35μm/s时,获得了以γ岛状为主的凝固组织,组织演化规律为:δ单相→δ/γ两相树状组织→γ-岛状组织+共生组织→δ+γ-岛状组织.实验发现,提高抽拉速率使凝固初始阶段的两相生长竞争加剧,并导致凝固过程中的相选择和全程组织演化规律发生改变.     

定向凝固Ti-50Al合金组织演化及其片层取向控制

对Ti-50Al(原子分数,%)合金在较宽的生长速率范围内进行定向凝固实验,研究了生长速率对固/液界面形态、微观组织演化及片层结构形成的影响.发现合金在1-5μm/s的速率范围内均以α胞晶单相生长,最终形成全片层结构;当生长速率达到10μm/s时,在初始凝固的较长距离内为α胞品单相生长,随着凝固的进行,胞晶间溶质逐渐富集,晶间出现从液相析出的γ相,最终不能形成全片层结构;当生长速率大干15μm/s时,合金以α枝晶生长,枝晶间也出现γ相.对各生长速率下形成的片层结构取向的分析表明,片层结构取向与定向凝固启动界面处铸态品粒的取向的历史有关.根据上述规律,以Ti-50Al合金为籽晶和主体合金,选择确保α单相凝吲的生长速率8 μm/s,进行片层取向控制,最终扶得取向与生长方向一致的全片层结构.     

Ti-(44-50)Al合金定向包晶凝固过程中的组织演化

利用TiAl二元系的热力学模型,计算了Ti—(44—50)Al(原子分数,％)合金包晶反应附近的相图,确定了初生相β和包晶相α的固、液相线,得到了界面响应函数所需的部分参数．利用这些参数及单相合金凝固界面响应函数模型,计算了初生相β和包晶相α的界面温度与生长条件变化的关系;结合最高界面生长温度判据,分析了Ti—(44—50)Al合金凝固过程中的相选择和组织演化,并确定了Ti—Al合金稳态凝固时以成分和G／υ为框架的相选择图．     

基于CA方法的Ti-45Al合金定向凝固过程微观组织模拟

采用CA方法建立了Ti-45Al(at.%)合金定向凝固过程中的组织演变数值计算模型,考虑了二元合金包晶反应过程,对液态金属冷却定向凝固过程中Ti-45Al合金的组织演变进行了模拟。模拟结果表明,定向凝固组织分为初生等轴晶组织、稳定生长的柱状晶以及中间过渡区域3部分,柱状晶一次臂间距随抽拉速度增大而减小。Ti-45Al合金在0.1 mm/min抽拉速度条件下,得到了以初生β相为主的凝固组织,在枝晶间溶质富集处有少量的包晶相析出,与相关试验结果基本一致。     

Ti-47Al合金籽晶法定向凝固过程中的组织演化

以Ti-43Al-3Si为籽晶,对Ti-47Al合金籽晶法定向凝固过程中的相选择和组织演化规律进行了研究.凝固初期,液相中富含Si,促使α相为其初生相,获得了与生长方向平行的全片层组织.随着凝固的进行,液相成分逐渐接近Ti-47Al.生长速率为90 mm/h时,凝固组织以胞状树枝晶形态生长,由于晶体生长形态对界面前沿溶质分布的影响,在稳定的溶质边界层建立前,Al和Si含量不能保证α相的连续生长,β相在α枝晶间形核长大,出现与凝固方向成45°夹角的片层,破坏了片层取向的一致;生长速率增至720 mm/h时,凝固组织中枝晶生长发达,枝晶间距减小,基本转变为以择优取向生长的α相.     

高温合金定向凝固数值模拟研究进展

高温合金定向凝固过程中存在着传热、流动、传质的宏观传输,凝固收缩、补缩,溶质再分配、迁移,晶粒生长和熔化等行为共同作用下的多相共存、多物理场耦合作用、跨尺度的复杂过程,导致复杂形状叶片铸件中频繁出现杂晶、雀斑、小角度晶界、条纹晶等缺陷。由于过程的不透明以及合金的高成本,发展数值模拟技术对深入认识高温合金定向凝固过程的机理、建立精准有效的控制方法具有重要意义。综述了近年来在镍基高温合金定向凝固数值模拟领域相关的研究进展,并对其应用进行了展望。     

加热温度对定向凝固Ni-45Ti-5Al合金组织特征的影响

采用液态金属冷却定向凝固技术研究了Ni-45Ti-5Al(原子分数,％)合金在1450、1550和1650℃下定向凝固组织的演变规律.结果表明,Ni-45Ti-5Al合金定向凝固生长区宏观组织为柱状晶,定向效果良好;微观组织呈胞状晶形态生长,由初生NiTi基体相和Ti2Ni析出相组成;NiTi相和Ti2Ni相分别以[100]和[111]方向择优取向,两相组织均固溶有一定量Al,且基体相中Al含量大于析出相中Al;随加热温度的升高,定向胞晶组织变化不明显,胞晶间距为30～50μm,在1550℃定向凝同时Ti2Ni相析出量最大.     

考虑包晶相的Ti-Al合金定向凝固枝晶生长数值模拟

考虑二元合金包晶反应和包晶转变过程,采用改进的CA方法建立了Ti-Al合金定向凝固过程中的组织演变数值计算模型,对液态金属冷却定向凝固过程中Ti-47.8Al(原子分数,%)合金包晶相的形成和具有不同优先生长方向的柱状晶的竞争生长进行了模拟。模拟了40 K/cm和80 K/cm两种温度梯度下合金的组织演化,并与相应的Ti-47Al-2Cr-2Nb合金定向凝固试验结果进行对比。结果表明,较之40 K/cm,温度梯度为80 K/cm时组织更快地进入稳定生长区,过渡区相对较短,而且柱状晶区晶粒的连续性更好,一次枝晶臂间距减小。     

定向凝固过程的数值模拟进展

针对定向凝固模拟的研究现状,概述了其中几种用于凝固的模拟方法,如三维枝晶胞膜跟踪法、电磁成形法、相场法等,并着重介绍了相场法。最后,在分析现有相场模型不足的基础上,指出了该领域研究中亟需解决的问题,并对今后的发展方向作了分析。     

生长速度对Ti-45%Al包晶合金定向凝固组织的影响

通过电磁感应加热和液态金属冷却相结合的实验方法制备了Ti-45%Al(at%)包晶合金的定向凝固试样,并观察在不同生长速度下的微观组织和界面形态。结果发现,抽拉速度为10μm/s时,界面以胞晶形式生长,最终组织的α2 γ片层与生长方向垂直;抽拉速度为50μm/s时,观察到明显的枝晶生长界面,α2 γ片层与生长方向成45°夹角。低速下的胞状间距明显大于高速下的枝晶间距,说明快速凝固有利于减小枝晶间距。     

定向凝固简化空心叶片热应力数值模拟

定向凝固叶片在凝固过程中产生的热应力会导致叶片最终存在残余应力、变形甚至裂纹而使得叶片报废,故研究叶片凝固过程的热应力变化具有重要意义.通过数值模拟的方法可以对叶片的凝固过程热应力进行模拟,得出应力变化情况,对叶片可能产生的缺陷进行预测.文中采用商用软件ProCAST对定向凝固简化空心叶片的热应力场进行数值模拟,分析空心叶片凝固过程中的热应力变化情况,并通过切割法测量了铸件的残余应力,模拟结果与实验结果吻合较好.     

镍基高温合金定向凝固斑点偏析的数值模拟研究

为了研究铸造高温合金中的斑点偏析，建立了描述多元合金凝固过程传输行为的数学模型。基于伪二元相图方法，模型给出了液相线温度与固相分数及液相多元溶质浓度的耦合关系式。利用该模型对Ni-5．8Al-15．2Ta（质量分数，％）合金铸锭的垂直定向凝固过程进行了模拟。结果表明：该模型能够反映多组元镍基高温合金凝固过程中斑点偏析的形成及发展过程。凝固界面前沿附近热-溶质双扩散对流引起的密度倒置，是诱发斑点偏析的主要原因。在糊状区中形成的偏析通道中，富集溶质从糊状区流向液相区，通道周围局部流动可以通过糊状区从液相区补充通道中的流动。凝固初期形成的通道不能稳定存在，多个通道合并促使局部凝固前沿优先生长，最终形成稳定的偏析通道。     

高温合金单晶叶片定向凝固过程的宏微观数值模拟

基于有限元和Panda热动力学数据库建立了单晶叶片真空熔模铸造定向凝固过程的数理模型,对不同工艺下单晶叶片试样凝固过程中的温度场、糊状区演变及枝晶二次臂间距进行了仿真,研究了缺陷形成机理和规律。计算结果与实验吻合良好。计算结果显示,拉速大时二次臂细小,但杂晶产生的趋势加大;拉速小时杂晶不易形成,但二次臂增粗。对实际空心薄壁复杂单晶叶片定向凝固过程的模拟研究表明,二次臂间距在叶身部分分布比较均一, 3.5 mm/min抽拉时有可能在缘板处产生杂晶。采用变拉速工艺,不仅可避免杂晶缺陷,还能保证工件大部分枝晶细小,提高生产效率和成品率     

定向凝固 Al7(CoCrFeMnNi)93 高熵合金微观组织演化及单晶生长

采用定向凝固技术研究了Al7(CoCrFeMnNi)93高熵合金微观组织的演化规律,以自然竞争生长法制备出胞状和树枝状亚结构单晶体,并研究了亚结构和取向对高熵合金单晶体纳米力学性能的影响。结果表明,Al7(CoCrFeMnNi)93高熵合金在定向凝固过程中界面更容易失稳,其平-胞界面转变速率小于1 μm/s,胞-枝界面转变速率范围约为2 ~ 5 μm/s。合金的一次、二次枝晶间距均随着定向凝固速率增加而逐渐减小,并分别与抽拉速率满足指数关系。定向凝固后,该合金枝晶干区域富集Co、Cr和Fe元素,而熔点较低的Mn、Ni和Al元素倾向于富集枝晶间区域。以自然竞争法获得的胞状、树枝状亚结构单晶的取向分别为[2 1 4]和[2 1 3]。纳米力学性能数据表明偏析行为造成的亚结构对单晶体的弹性模量和硬度影响较小,而晶体取向对单晶体的弹性模量影响较大,对硬度值影响较小。     

Ti—46at%Al机械合金化过程中的显微组织演变

采用扫描电镜（SEM）、显微硬度分析、Ｘ－ray衍射和差热分析（ＤＴＡ）技术研究了Ｔi-46at%Al混合粉末机械合金化过程中的显微组织演变。结果表明：随着球磨过程的进行，Ｔi-46at%Al颗粒逐渐等轴化，粒度变小，粒度分布变窄；显微硬度增大，硬度分布和颗粒内成分逐渐均匀。经过６０h高能球磨，Ａl元素完全固溶入Ｔi晶格内，形成纳米Ｔi（Ａl）过饱和固溶体，同时，有非晶相形成；球磨至１００h，形成完全非晶相。非晶相的形成是界面处非平衡扩散的结果，在Ｔi-46at%Al合金中，机械合金化致非晶的晶粒条件是：晶粒尺寸≤１５nm。     

Microstructure Evolution of a Ternary Monotectic Alloy During Directional Solidification

A model was developed to describe the microstracture evolution in a directionally solidified ternary monotectic alloy.The directional solidification experiments were carried out on Al-3Pb-lSn(wt%) alloys by using a Bridgman apparatus.The microstracture evolution in the directionally solidified sample was calculated.The numerical results agree well with the experimental ones.It is demonstrated that the nucleation of the minority phase droplets occur at two different positions.One corresponds to the liquid-liquid decomposition,which occurs in front of the solidification interface.The other is at the liquid/solid interface.The nucleation rate of the minority phase droplets at the liquid/solid interface is significantly higher than at the position in front of the solidification interface.The characteristic of the nucleation process leads to a bimodal size distribution of the minority particles in the directionally solidified sample.