电磁力场作用下凝固界面前沿颗粒迁移特性的理论模型

本文在前人对无外力场作用时颗粒在凝固界面前受力分析的基础上,地电磁力场作用下颗粒在凝固界面前沿的迁移特性进行了理论上的分析讨论,分别推导了一定电磁力作用下水平和垂直凝固界面前沿颗粒推斥／在没转变的临界凝固速度,以及一定凝固速度睛,水平和垂直凝固界面前沿颗粒推斥／吞油转变的临界电磁力。     

多晶硅锭的制备及其形貌组织的研究

研究了采用定向凝固法制备多晶硅锭的凝固速率与表面形貌、晶粒尺寸以及显微组织缺陷的关系。找出了晶锭不出现细晶的临界生长速度 ,并对固液界面形状进行了探讨。多晶硅锭的制备工艺主要包括定向凝固法及浇铸法。采用定向凝固法制备多晶硅锭 ,通过改变降埚速率控制晶体生长速度 ,进而找出晶粒大小与降埚速率的关系 ;同时通过改变石英坩埚、石墨托厚度 ,冷源半径等几何参数来达到控制固 液界面形状的目的。     

界面热失配对金属基复合材料力学性能的影响

由于金属基体和增强相的热膨胀系数存在差异，金属基复合材料在制备降温过程中不可避免地产生热失配应力。研究表明，金属基复合材料热失配应力在近界面处以不同类型金属缺陷的形式进行释放，在远离界面处以热残余应力的形式保留。热失配应力释放的缺陷类型、尺寸、密度以及热残余应力的存在均会显著影响金属基复合材料的力学性能。本文阐述了界面热失配缺陷和热残余应力的产生，详细分析了界面热失配对金属基复合材料力学性能的影响，为进一步实现金属基复合材料的界面结构设计和优化提供理论基础和科学依据。     

碳钢/不锈钢液固浇铸复合界面特性研究

界面特性对于碳钢/不锈钢双金属复合材料的质量控制至关重要。基于碳钢/不锈钢液-固复合新材料与工艺开发需要，对Q235/304液-固浇铸复合工艺进行了凝固模拟分析，并利用浇铸实验与剪切实验研究了液-固复合界面的组织与成分变化行为及其对后续轧材力学性能的影响。研究表明，不锈钢基板结合面凹槽化预处理有助于提高整体浇铸复合效果；实现有效冶金复合的温度与界面重要条件则为较高的碳钢过热钢液与不锈钢基板预热温度。其中，液-固复合工艺实现2钢种界面冶金复合的主要特征是：基板界面侧产生有一定厚度的重熔层；复合界面具有一定厚度的合金元素扩散层。据此，获得的液-固复合界面热轧态剪切强度达400 MPa以上，远高于国标210 MPa的门槛值，有望更好地提高这类双金属复合材料的服役性能。     

金属基复合材料的发展和未来

阐述了研究金属基复合材料的意义, 并着重论述了金属基复合材料的发展史、分类、研究技术的发展和现状, 指出了金属基复合材料理论研究的不足, 提出了有关界面结构模型和凝固过程的研究方向。     

铝合金铸件定向凝固过程的数值模拟

为了研究铝合金定向凝固组织的变化规律，采用有限元软件ProCAST对Al Si Cu合金定向凝固过程进行模拟,分析了不同浇注温度和抽拉速率对铸件定向凝固过程中的温度梯度、固液界面前沿、糊状区宽度、枝晶生长速率和二次枝晶臂间距的影响。结果表明，当浇注温度越高时，温度梯度越大，而固液界面前沿下凹越小，糊状区宽度也越窄，从而越有利于顺序凝固的发生；随着抽拉速率的增大，枝晶生长速率先增大后减小,当抽拉速率为200 μm/s时，最大生长速度达到0.093 mm/s，铸件凝固组织最佳；当抽拉速率大于300或小于200 μm/s时，都会导致枝晶生长速率缓慢，枝晶生长不平稳，二次枝晶臂粗大。对模拟得到较优的工艺参数进行试验验证，可以制备出具有较好力学性能的铸件。     

多晶硅生长过程固液界面、应力、位错及熔体流动的变化规律

定向凝固（DS）法生产的多晶硅锭是光伏产业最基础、最主要的功能性材料之一，但实际生产中多晶硅复杂的工艺仍需进行优化。采用有限体积法对定向凝固法多晶硅生长过程进行瞬态全局模拟，数值模拟过程中将温度场、应力场和流场进行耦合，以研究多晶硅生长过程中固液界面波动率、硅锭内应力、位错密度以及硅熔体流动的变化规律。结果表明，长晶初期固液界面波动率较大，为29.83%，而长晶中期和末期界面波动率仅为6%和3.434%；且熔体流速也对固液界面影响较大，通过降低靠近固液界面处的熔体流动速度有利于形成平坦的固液界面；在生长过程中硅锭中最大位错密度和最大应力值随长晶时间变化趋势大致相同，控制和优化长晶后期的工艺参数可以有效减少多晶硅生长过程中应力值和位错密度，为多晶硅定向凝固过程预测和控制提供一定的理论支持。     

电磁出钢装置中填装料对固-液界面位置的影响

 在电磁出钢系统中 ,为了提高感应加热效果以实现快速出钢 ,需将固-液界面控制在感应线圈的有效加热区内。设计了模拟钢包上水口处固-液界面测量装置,考察了上水口内在高中低碳钢的出钢温度分别为1550、1600、1620℃时,铁碳合金颗粒的成分、形状、大小对固-液界面的影响规律。结果表明：使用铸铁填装料比使用铸钢填装料时固-液界面的下移量要大,并且成分的影响随着钢液温度的升高有增大的趋势;规则球形颗粒比不规则的砂形颗粒对固-液界面位置影响要大,而且固-液界面的下移量随着填装料粒径的增大而增大;选用粒径为2.0mm的铸铁颗粒作为填充料,当出钢温度为1600和1620℃时,固-液界面位置能够进入有效加热区;当出钢温度为1550℃时,使用粒径为4.0mm的铸铁颗粒做填充料时,固-液界面位置也能够进入有效加热区。     

VGF法生长4英寸GaAs单晶固液界面形状和热应力的数值模拟研究

采用专业晶体生长数值模拟软件CrysMas,模拟了垂直梯度凝固法(VGF)生长4英寸GaAs单晶过程中的固液界面形状,发现晶体在生长过程中固液界面形状经历了由凹到凸的变化.数值模拟结果表明熔体中和晶体中的轴向温度梯度之比小于0.4时,固液界面为凸向熔体,与理论推导结果一致.模拟了晶体生长过程中固液界面附近的晶体中的热应力值,发现固液界面为平界面时晶体中的热应力具有最小值.推导计算了VGF GaAs单晶生长过程中固液界面凹(凸)度的临界值,当固液界面凹(凸)度小于该值时,晶体中的热应力低于临界剪切应力.     

金属基复合材料铸造技术发展情况

本文综合评述了国内外金属基复合材料铸造技术的研究进展以及需要进一步研究的润湿、凝固、界面反应等多方面问题,并对我公司如何开展金属基复合材料铸造技术的研究提出了建议.     

含Hf镍基粉末高温合金快速凝固粉末颗粒特性

采用扫描电镜、透射电镜及其附带的能谱仪和碳复型萃取技术等多种手段研究了不同Hf含量的FGH96合金粉末颗粒显微组织、枝晶间合金元素偏析和析出相.发现Hf含量可以改变粉末颗粒内部树枝晶、胞状长大晶和微晶凝固组织的比例,粉末的快速凝固组织形态主要取决于冷却速率和固液界面前沿温度梯度与长大速度的比值.不同Hf含量的FGH96合金粉末颗粒中,Nb、Ti、Zr和Al均富集于枝晶间,Co、Cr、W和Ni均富集于枝晶轴.当Hf质量分数为0.3%时,Ti、Nb、Zr、Hf等强碳化物形成元素的枝晶偏析程度最小.在快速凝固粉末颗粒中,Hf对氧含量比碳含量更敏感,优先形成更稳定的氧化物HfO₂.      

VGF法GaAs单晶生长中热通量对固液界面形状的影响

采用专业的晶体生长模拟软件CGSim模拟了垂直梯度凝固法(VGF)GaAs单晶生长过程中固液界面形状及其变化;分析了生长过程中界面上不同位置的热通量及其变化,并利用能量守恒关系,分析了热通量对固液界面形状的影响,改进了前人在忽略凝固或熔化相变潜热的基础上推导出的固液界面形状和温度梯度之间的数学关系。结果表明:固液界面上各点热通量的不同导致各点生长速度的不同,从而形成偏离程度各异的固液界面形状。采用霍尔效应测量法检测了GaAs单晶中的载流子浓度分布,分析了固液界面形状对晶片电学均匀性的影响。结果表明:对于分凝系数k_01的溶质,平坦的固液界面,晶片中载流子浓度分布更为均匀;凸形界面,载流子浓度随晶片径向距离的增加而增加;凹形界面,载流子浓度随晶片径向距离的增加而降低;载流子浓度分布的不均匀性随固液界面非平坦性的增加而增加。     

自蔓延反应涂层法制备SiCp/Al复合材料及性能

对采用铝浴自蔓延反应涂层制备SiCp/Al复合材料的反应机理及与组织演变研究发现：在SiCp/Al表面形成TiC和Ti5Si3复合涂层，显著改善了SiCp与铝液的润湿性，凝固后的SiCp/Al复合材料经热挤压可进一步改善界面状态和界面结合。对它的力学性能和摩擦磨损性能研究表明：由于SiCp的加入对弹性模量的影响与其它方法制备的SiCp/Al复合材料相同，因此可通过降低反应程序，以便提高材料的力学性能。SiSp/Al复合材料摩擦性能主要取决于SiC颗粒的粒度及含量。     

锆对急冷凝固FGH96合金粉末显微组织和元素偏析的影响

采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)及其附带的能谱仪,对不同Zr含量的急冷凝固FGH96合金粉末的显微组织、热学凝固参数和枝晶间合金元素偏析进行研究。结果表明:通过调整Zr含量,可以改变粉末颗粒内部树枝晶、胞状长大晶和微晶凝固组织的比例;粉末凝固组织形态主要取决于冷却速率T-、固液界面前沿温度梯度G和长大速度R;不同Zr含量的FGH96合金粉末颗粒中,Mo、Nb、Ti、Zr等元素富集于枝晶间,Co、Cr、W和Ni富集于枝晶轴,随Zr含量增加,Ti、Nb、Zr等元素的枝晶偏析程度减小。     

纤维/金属复合材料凝固时溶质偏析及数值计算方法

根据合金凝固过程中的守恒定律和传输原理,建立了纤维增强金属基复合材料在凝固过程中溶质传递的数学模型,并建立和推导了复合材料凝固时溶质偏析的数值计算方法。     

钢锭内部的金属流动与宏观偏析

钢锭内部的宏观偏析取决于凝固过程中凝固界面处的溶质分配及固－液两相区中的溶质流动。溶质分配和流体流动受钢锭合金成分、冷却条件及凝固形式等影响。根据钢锭中宏观偏析形成的最新理论，从枝晶间流动、凝固组织、成分、冷却条件等方面，详细论述了钢锭中宏观偏析的控制。     

新技术与成果

本发明用的平连铸制颗粒增强Al、Mg、Cu、Zn主要金属基复合新材料的方法与设备,由于设置了磁搅拌器、结晶器、中间保温包等使增强物在合金液中均匀悬浮。本发明的金属基复合材料组织均匀、致密、综     

Fe—2.85%C—30%Cr共晶复合材料的研究

通过单向凝固，成功地制了规则纤维排列的Ｆｅ－Ｃ－Ｃｒ共晶复合材料。研究发凝固速度对材料组织和性能的影响，研究表明，随着凝固速度（Ｒ）的增加，纤维间距减小，规整性变差，而材料的抗拉强度呈抛物变化，当Ｒ＝５０ｍｍ／ｈ时，可达２３００ＭＰａ。提出了该共晶合金在单向凝固过程中碳化物增强纤维的生长模型。     

Fe－2．85％C－30％Cr共晶复合材料的研究

通过单向凝固，成功地制取了规则纤维排列的Ｆｅ－Ｃ－Ｃｒ共晶复合材料。研究了凝固速度对材料组织和性能的影响。研究表明，随着凝固速度（Ｒ）的增加，纤维间距减小，规整性变差，而材料的抗拉强度则呈抛物线变化，当Ｒ＝５０ｍｍ／ｈ时，可达２３００ＭＰａ。提出了该共晶合金在单向凝固过程中碳化物增强纤维的生长模型。     

喷射沉积雾化机理的研究进展

描述了喷射沉积过程中雾化阶段的机理，讨论了各物理参数对雾化过程的影响，并探讨了在制备金属基颗粒增强复合材料时增强颗粒不同的加入方式对金属雾化的影响。