Al0.7CoCrFeNiCu0.5高熵合金的定向凝固组织演变规律

为探究Al0.7CoCrFeNiCu0.5高熵合金定向组织在不同抽拉速度下的微观组织演化规律,文中实验设置抽拉速度(v=1μm·s-1、2μm·s-1、3μm·s-1、10μm·s-1),采用真空电弧熔炼炉和高温度梯度定向凝固炉(温度梯度20K·mm-1)制备试样。利用扫描电镜及能谱仪表征定向组织固液界面以及宏微观组织演变。研究结果表明:试棒沿生长方向可以分为淬火区、固相区及固态相变区。随着抽拉速度增大,固液界面形貌演变过程为:平界面→胞状→树枝状,胞枝转变临界点约为2μm·s-1。凝固组织与抽拉速度及界面形态密切相关,抽拉速度增大,微观组织定向特征增强。固液界面为树枝状时,Cu原子被排斥到枝晶间形成富Cu相。     

定向凝固纯铜组织性能研究

采用高真空多功能定向凝固及悬浮熔炼设备,以不同凝固速度制备纯铜试样,并对定向凝固纯铜试样的显微组织和机械性能进行了分析研究.通过实验获得了定向凝固纯铜的组织性能.当凝固速度小于500μm/min时,定向凝固的纯铜试样横、纵截面的晶粒形貌都是等轴晶,晶粒内存在孪晶,凝固速度较小时,其孪晶组织数量较多.当凝固速度大于500μm/min时,定向凝固的纯铜试样横截面的晶粒形貌是等轴晶,而纵截面的晶粒形貌是柱状晶,晶粒内基本不存在孪晶组织.定向凝固纯铜的室温机械性能是:当凝固速度在50μm/min的条件下,试样的抗拉强度约153 MPa,较普通铸造纯铜试样的低,而屈服强度约91.8 MPa,延伸率约80.12%,都优于普通铸造纯铜试样.透射电镜分析表明,纯铜定向凝固过程中形成的孪晶B=[110].     

确定取向铝单晶制备工艺的研究

为获得制备确定取向铝单晶试样的最优工艺参数,文中采用定向凝固设备结合籽晶法,研究了不同坩埚材料、加热温度及抽拉速度等对铝单晶试样质量的影响.实验结果表明:采用氮化硼(白石墨)坩埚,加热温度(850±5)℃下保温1h,在生长通道时抽拉速度为1μm/s,在单晶生长部分抽拉速度为8μm/s,达到引晶效果,试棒的初始取向与籽晶的取向一致.     

凝固速度对高铬铸铁共晶组织的影响

采用液态金属冷却的定向凝固技术,获得了在不同凝固速度下的高铬铸铁(Fe-3.35C-27.5Cr),并研究了凝固速度对高铬铸铁共晶组织的影响规律.结果表明,当温度梯度为150K/cm,凝固速度为1~10μm/s时,固液界面均可维持平直状,可获得M7C3型碳化物呈定向排列的高铬铸铁,碳化物与基体结合牢固,具有原位生长复合材料的效果.     

过共晶Ti-Si合金熔体电磁定向凝固过呈实验和数值模拟

通过建立电磁场-热场-流场多物理场耦合数学模型,采用实验和COMSOL Multiphysics 5.4商业软件研究了Ti-89 wt.％Si合金熔体在电磁感应定向凝固过程中的不同线圈功率、电磁频率和下拉速率下Ti-Si合金熔体的流动行为,及其对初晶硅相电磁分离的影响规律.研究表明:电流频率为15kHz时,熔体的平均流动速度最大,分离效果较好;线圈功率为5.4kW、固相分数为0.50时,熔体的最大流速为0.55m/s,硅富集层的含量达到95.84％.此外,增大下拉速率会导致熔体的平均流速减小以及凝固前沿吸收硅原子的时间变短,从而导致硅相富集效果变差,不利于硅相与合金的分离,下拉速率从10μm/s增加到50μm/s,硅富集层中硅含量从93.96％降低至88.04％.     

钛合金冷坩埚定向凝固过程温度场数值模拟

基于电磁场Maxwell方程组以及带有一定运动速度的连续介质凝固模型,建立了连续熔铸与定向凝固过程温度场数值计算模型,并对线圈匝数为4匝、输入电流密度为6.6×1010A/m2、电源频率为50 000 Hz时,扁形锭的电磁感应加热升温过程进行了模拟研究,得出了Ti-6Al-4V合金的温度场变化情况.结果显示,从开始加热的几十秒时间内,扁形铸锭温度上升很快;接近100 s时,铸锭温度分布趋于稳定;接近300 s时,铸锭自身基本达到热量平衡.     

过共晶Ti-Si合金熔体电磁定向凝固过程实验和数值模拟

通过建立电磁场-热场-流场多物理场耦合数学模型,采用实验和COMSOL Multiphysics 5.4商业软件研究了Ti-89 wt.%Si合金熔体在电磁感应定向凝固过程中的不同线圈功率、电磁频率和下拉速率下Ti-Si合金熔体的流动行为,及其对初晶硅相电磁分离的影响规律.研究表明:电流频率为15kHz时,熔体的平均流动速度最大,分离效果较好;线圈功率为5.4kW、固相分数为0.50时,熔体的最大流速为0.55m/s,硅富集层的含量达到95.84%.此外,增大下拉速率会导致熔体的平均流速减小以及凝固前沿吸收硅原子的时间变短,从而导致硅相富集效果变差,不利于硅相与合金的分离,下拉速率从10μm/s增加到50μm/s,硅富集层中硅含量从93.96%降低至88.04%.     

Al-4.5Cu合金柱状晶的穗状晶生长形态及机理

利用自行研制的电磁泵驱动液流定向凝固装置,首次成功地发现了AI－4.5Cu合金柱状晶的穗状晶生长区域并观察到其形态。研究发现：穗状晶生长区域位于液流速度v/4.5cm/s,柱状晶的生长速度R为20－80μm/s的局部范围内。在该区域中,近胞状生长区域晶体呈典型穗状迎流生长;近枝晶生长区域晶体近垂直生长,穗状晶呈束状结构。     

Mo_(0.2)FeCoCrNi高熵合金定向凝固枝晶分裂与取向偏转

为了研究Mo_(0.2)FeCoCrNi高熵合金定向凝固组织的形成规律,文中通过对比分析试样上端最终过渡区与稳态生长区成分分布,准确界定Mo_(0.2)FeCoCrNi高熵合金中的溶质与溶剂,并计算出平衡溶质分配系数与偏析度,采用液相淬火方法分析不同抽拉速度下Mo_(0.2)FeCoCrNi高熵合金固液界面形貌。对比分析铸态组织与不同抽拉速度高熵合金定向凝固组织,研究树枝晶尖端分裂与晶体生长的取向关系。研究结果表明:在2～200μm·s~(-1)的抽拉速度范围内均存在树枝晶尖端分裂情况,随着抽拉速度的增大枝晶主干变短,枝晶分枝变长,枝晶两分枝的夹角变大。树枝晶尖端两分枝的竞争生长,导致枝晶主干发生偏转,逐渐与热流方向平行。     

不同初始取向铜单晶制备技术的研究

为了获得制备确定初始取向铜单晶的最优工艺参数,采用不同的抽拉速度、坩埚材料以及单晶体生长通道参数值制备出铜单晶体试棒.并应用TEM,XRD衍射分析对其进行取向标定.结果表明:采用高纯石墨坩埚,单晶体生长通道直径为2 mm,在(1 450±5)℃下保温2 h,运动距离在30 mm以下时抽拉速度为2μm/s,运动距离超过30 mm时抽拉速度为8μm/s,所制备出的铜单晶体表面光洁均匀,且试棒的初始取向的偏差与设计值在3°以内.     

基于元胞自动机法的铝合金定向凝固过程微观组织数值模拟

基于溶质扩散和界面能的作用,考虑成分过冷、曲率过冷和界面能各向异性和界面扰动,并改进了溶质再分配的算法以及界面液相浓度偏导数的离散格式,建立了凝固过程中晶体的生长模型。利用此模型并采用元胞自动机方法对铝合金定向凝固过程中的平界面、胞状和枝晶状三种典型界面形貌演化进行了模拟,并把模拟参数和模拟结果与经典凝固理论进行了比较,发现在G/V值略小于成分过冷判据给出的临界值时就已经获得平界面。并验证了平均一次枝晶间距与温度梯度和抽拉速度的变化关系,与理论结果吻合较好。     

基于CAFE法的单晶铜杆热型连铸过程晶体生长模拟

基于元胞自动机(CA)和有限元(FE)耦合法对单晶铜杆热型连铸过程中晶粒生长及演化过程进行了模拟,获得了稳定状态下铸棒内温度分布及液固相界面的位置和形态,模拟了连铸初期沿热流方向细小等轴晶快速合并形成柱状晶的过程,采用截面形态和极图法分析了定向凝固条件下各个生长时刻的晶粒形貌和晶粒生长取向以及晶粒竞争生长过程中的快速淘汰和慢速淘汰阶段,为热型连铸工艺优化提供了依据。     

三元Co-Cu-Si合金的液相分离与组织特征

在自由落体条件下实现了三元Co45Cu45Si10和Co25Cu25Si50舍金的快速凝固,所获得的最大过冷度分别为357 K(0.22TL)和320 K(0.20TL),测定其液相面温度分别为1 600 K和1 592 K,固相面温度分别为1 358 K和1 105 K.Co45Cu45Si10舍金液相分离临界过冷度仅为8 K.直径大于100μm的合金液滴发生L a-Co→ε-Co的包晶转变,凝固组织由(Cu)、ε-Co和α-Co三相组成,而直径小于100μm时,合金液滴的凝固组织主要由(Cu)和ε-Co两相组成.Co25Cu25Si50合金不存在液相分离临界过冷度,形成由CoSi、CoSi2和Cu3Si 3个金属间化合物相组成的快速凝固组织.尽管Cu3Si的形核率最大,但始终没有形成领先生长相.当过冷度小于127 K时,形成以CoSi2为初生相枝晶的凝固组织;当过冷度大于127 K时,则形成以CoSi为初生相枝晶的凝固组织.     

大容量超重力离心机温控缩比模型试验

为了解决超重力离心机在加速度大于1000g时由于风阻功率引起的主机室温升超高的问题,通过对超重力离心机产热机理及散热机理的研究,提出对应的温度控制策略. 对超重力加速度为1500g的大容量土工离心机进行1∶20缩比,基于以相同空气流速流过侧壁引起的摩擦产热相同的原理进行模拟试验,即在高速转子最外端线速度同为290 m/s下进行风阻功率测试及温度调控试验研究. 总结缩比离心试验机机室内的真空度、侧壁冷却器温度、侧壁冷却器内冷却液体积流量等对主机室温度的影响规律,得到最佳温控调节方案,提出超重力离心模拟与试验装置（CHIEF）离心机室温控方案. 缩比模拟试验结果可为原型机的设计提供设计参考.     

不同初始取向铜单品制备技术的研究

为了获得制备确定初始取向铜单晶的最优工艺参数,采用不同的抽拉速度、坩埚材料以及单晶体生长通道参数值制备出铜单晶体试棒．并应用TEM,XRD衍射分析对其进行取向标定．结果表明：采用高纯石墨坩埚,单晶体生长通道直径为2mm,在（1450±5）℃下保温2h,运动距离在30mm以下时抽拉速度为2μm／s,运动距离超过30mm时抽拉速度为8μm／s,所制备出的铜单晶体表面光洁均匀,且试棒的初始取向的偏差与设计值在。以内．     

稀土微合金低镍奥氏体不锈钢定向凝固组织的研究

采用电磁感应定向生长炉制备稀土微合金低镍奥氏体不锈钢定向凝固组织,系统地研究凝固速度和稀土元素Ce对不锈钢凝固时界面形态以及枝晶间距的影响。研究发现,在特定温度梯度下,随着凝固速度的增加,定向凝固的固液界面由胞状晶转变为树枝晶。凝固速度和稀土元素Ce的增加使得定向凝固组织的枝晶形貌逐渐细化,枝晶间距减小。     

液固界面滞后对凝固初始过渡区溶质再分配的影响

实际定向凝固过程中,当改变外加速度或凝固刚开始时,液固界面并不是立即跟上外加速度,而是存在一种滞后效应。本文在采用一些近似假设的基础上,研究了这种滞后效应对定向凝固过程初始过渡区溶质再分配的影响,得到一个新的初始过渡区溶质分布公式,证明Tiller的经典结果只是本文结果当△T_0/G→0时的极限情况。理论计算结果还表明,液固界面实际速度对外部控制速度的滞后效应将使凝固初始过渡区溶质分布趋于稳态所需时间和距离增长;不仅外部控制速度V_0和分配系数k,而且温度梯度G,合金平均成分C_0和液相线斜率m都会影响初始过渡区溶质再分配过程,其影响以V_0最大,k、D_L次之,G,C_0,m最小。     

功率超声对纯铝凝固过程的影响及衰减特性分析

研究了超声波对凝固过程的影响,探讨了不同超声功率对纯铝凝固过程冷却温度变化,声流和空化对细化晶粒的作用,实验结果表明:在不同超声功率下处理的铸锭,凝固时间缩短,温度分布更加均匀,温度梯度场变小,在不同功率超声振动下凝固组织平均晶粒尺寸从500 μm变成为90 μm,但随着超声功率的增加细化程度不再明显.超声的衰减作用使铸锭不同位置的晶核细化程度有很大的不同,由于空化效应和声流搅拌双重作用效应,使凝固组织细化程度提高.     

MgCO_3对AZ31镁合金晶粒的细化

研究了MgCO3对AZ31镁合金凝固组织的影响。结果表明:随着MgCO3的增加,合金中的β-Mg17Al12相由晶内分布变为晶间分布。在AZ31中添加0.6%的MgCO3,于760℃时保温10min,细化效果最佳。α-Mg晶粒的尺寸由基体合金的570μm降至100μm,降低幅度约为82.5%,抗拉强度提高了57.9%,延伸率约提高了11.1%。通过能谱分析,结合能计算及自由能计算证实,细化机理是MgCO3反应后生成的部分Al4C3质点作为异质核心细化晶粒。多余的Al4C3质点钉扎晶界阻碍晶粒长大。Al元素随固/液界面前沿被快速推至晶界,生成沿晶界生长的β-Mg17Al12相,起到进一步固定晶界的作用。合金元素的分布均有改变。     

Cu对Er变质Al-10Mg2Si铸造合金组织和力学性能的影响

本文采用X射线衍射仪、光学显微镜、扫描电镜(附加能谱仪)和电子万能试验机等研究了不同Cu含量Er变质亚共晶Al-10Mg2Si铸造合金的凝固组织和力学性能.结果表明,Cu和Er能显著降低共晶Mg2Si相的晶粒尺寸,从基础合金的15.4μm减小到含1.5 wt.％Cu和0.45 wt.％Er合金的5.8μm,并使其结构从...