镍基高温合金定向凝固过程中的汇聚型双晶竞争生长

采用籽晶法控制晶体取向,研究了不同抽拉速率下镍基高温合金汇聚型双晶的竞争生长.结果表明,低抽拉速率下,非择优枝晶能够穿插进入择优枝晶间的液相通道,抑制择优枝晶的生长,使晶界向择优晶粒方向偏移.高抽拉速率下,非择优枝晶几乎全部被晶界择优枝晶阻挡,晶界与择优枝晶干平行.非择优枝晶进入择优枝晶间的液相通道使择优枝晶萎缩消失是非择优晶粒淘汰择优晶粒的主要因素,并以此提出了抽拉速率对竞争生长的影响机制.     

大尺寸单晶叶片中小角度晶界的形成与演化

通过EBSD和XCT等方法研究了大尺寸单晶叶片制备过程中小角度晶界的形成与演化过程。结果表明,在大尺寸单晶叶片生长过程中,沿单晶叶片生长方向,随叶片高度的增加,其横截面枝晶排列的规则程度越来越恶化;叶片出现小角度晶界,其取向差与产生频率随距离初始位置高度的增加而显著增加;晶体取向测试表明,扩展区枝晶取向分布较为集中,而叶身枝晶取向分散度增大,但仍分布在扩展区取向附近。小角度晶界产生的原因可能与模壳阻碍熔体收缩产生应力,进而导致二次枝晶转动有关。表面较大尺寸的孔洞有利于小角晶界的产生。此外,还发现取向相近、且靠近[001]取向的枝晶淘汰它们之间的杂晶后相撞而形成小角度晶界。     

定向凝固Al-4.5%Cu合金枝晶组织与抽拉速率的关系

用自制下拉式定向凝固设备,在一定的温度梯度下,在20-220μm/s的抽拉速率范围制备定向凝固Al-4.5%Cu合金,并对其微观组织、特别是一次枝晶间距随抽拉速率的变化规律进行研究。结果表明：定向凝固微观组织随抽拉速率的增大呈细化趋势,其一次枝晶间距减小;当抽拉速率小于100μm/s时,枝晶间距随抽拉速率而减小的幅度较大;当抽拉速率大于100μm/s时,枝晶间距减小幅度较为平缓。在综合分析抽拉速率、界面生长速率、温度梯度等影响因素的基础上,推导出界面局域平衡条件下预测定向凝固次枝晶间距的理论模型,该模型能够较为准确地反映定向凝固一次枝晶间距随抽拉速率在100-220μm/s范围的变化规律,为定向凝固工艺获得特定组织而预先选配合适的工艺参数提供理论参考。     

二次枝晶取向对镍基高温合金晶粒竞争生长行为的影响

采用精密铸造法制备板状双晶和三晶试样,研究晶粒的二次枝晶取向对晶粒竞争生长的影响。结果表明,对于一次枝晶取向相同的双晶,随二次晶界角增大,晶界位置始终位于板状试样的中间,2个晶粒之间几乎不存在竞争生长。对于一次枝晶取向不同的三晶,汇聚晶粒和发散晶粒的竞争生长情况不同。在汇聚生长的情况下,择优取向枝晶与非择优取向枝晶互相阻挡,导致晶界向择优取向晶粒倾斜,这与经典的WaltonChalmers模型不一样。并且二次取向不影响汇聚晶粒的竞争生长。在发散生长的情况下,择优取向枝晶与非择优取向枝晶都能分枝出新的枝晶,使晶界向非择优取向晶粒倾斜,这与Walton-Chalmers模型一样。此外,二次取向不影响发散晶粒的竞争生长。     

工艺参数对电磁冷坩埚定向凝固Nb-Si基合金固液界面的影响

采用电磁冷坩埚定向凝固技术研究了加热功率、抽拉速率和保温时间对Nb-22Ti-16Si-3Cr-3Al-2Hf(原子分数,%)合金固液界面的影响.采用正交实验制备合金试样.结果表明,延长保温时间、减小抽拉速率和提高加热功率有利于保持固液界面的宏观形态为平界面.随着抽拉速率的增加,初生Nb固溶体(Nbss)一次枝晶臂间距和二次枝晶臂间距逐渐减小;随着加热功率的增加,初生Nbss一次枝晶臂间距和二次枝晶臂间距逐渐增加;随着保温时间的延长,初生Nbss一次枝晶臂间距和二次枝晶臂间距先增大后减小.增大抽拉速率、减小加热功率和缩短保温时间有利于一次枝晶臂间距和二次枝晶臂间距的细化.     

镍基双晶高温合金定向凝固过程中的竞争生长

研究了镍基双晶高温合金定向凝固过程中的竞争生长.实验结果表明：当原始籽晶一次枝晶方向均平行于热流方向且二次枝晶取向不同时,定向凝固过程中双晶共存,但双晶的界面存在波动,抽拉速率对其影响不大.当原始籽晶一次枝晶([001])异面并保持其中一组二次枝晶取向([010]相同时,双晶竞争生长过程是一个三维竞争生长过程.晶粒竞争...     

抽拉速率对螺旋选晶器选晶行为和晶体取向演变的影响

采用宏观-微观耦合的元胞自动机（CAFE）方法,研究了不同抽拉速率对螺旋选晶器的选晶行为和晶体取向演变的影响,并通过实验对仿真结果进行了验证。结果表明：在相同的抽拉速率下,随着与激冷面距离的增大,枝晶数目逐渐减少,一次枝晶臂间距逐渐增大。随着抽拉速度由2 mm/min增加到8 mm/min,一次枝晶臂间距逐渐减小,枝晶茎数增加,枝晶间距逐渐减小,枝晶组织逐渐细化。在模拟过程中,在螺旋选择器启动块的3种抽拉速率下,固态组织的数量、面积和颜色都是相似的;在螺旋部分,在5 mm/min提取速率下晶体的微结构数量比其他2个提取速率下的少,并且面积更大,颜色更浅。从选晶器的晶粒组织演变和金相组织分析结果可以得出,中等抽拉速率（5 mm/min）下选晶器的选晶效率优于其他2种抽拉速率。     

镍基单晶高温合金定向凝固组织的数学模型表征

通过改变定向凝固工艺研究了镍基单晶高温合金铸态组织的演化规律,并用数学模型对试验结果进行了拟合。结果表明,随着抽拉速率的增大,合金铸态组织的凝固界面经历了胞状-粗枝状-细枝状的转变;铸态组织一次枝晶间距试验结果介于Hunt模型和Trivedi模型之间;通过对试验数据的非线性回归分析,得到一次枝晶间距λ1和抽拉速率V之间满足的回归公式;随抽拉速率的增大,二次枝晶间距减小,但Re和Ru的添加对一次和二次枝晶间距的影响较小。     

抽拉速率对Ti-48Al-6Nb合金籽晶法定向凝固组织的影响

以Ti-44Al-3Nb-2Si为籽晶,研究了不同抽拉速率对Ti-48Al-6Nb合金籽晶法定向全片层组织的影响。结果表明,6μm/s抽拉速率下,固/液界面为平界面生长,凝固组织中片层方向能够与生长方向保持一致。当抽拉速率增加到15μm/s时,固/液界面以枝晶方式生长,凝固组织中出现非择优<112軈0>取向的α相与择优取向β相共生生长组织。当抽拉速率增加到25μm/s时,α相树枝晶生长将在枝晶间析出β相,破坏定向全片层组织。用Ti-44Al-3Nb-2Si籽晶,低抽拉速率保证高温α相以平界面生长,可以实现Ti-48Al-6Nb合金的引晶。     

凝固速率及铼对镍基单晶高温合金叶片小角度晶界的影响

利用高速凝固(HRS)技术制备了不同成分单晶模拟叶片铸件,分析了截面渐变过渡区和截面突变平台处的组织特征。结果表明:在过渡区,枝晶排列由中心向边缘靠近,取向偏离有累加的趋势;在抽拉速率75、100、150μm/s下,试样平台处均出现了小角度晶界,晶界角度在75μm/s下最大,为6.8°;对不同含Re试样分析表明:随着Re含量的增加,平台处晶界角度增大。     

PMO对定向凝固GCr15轴承钢枝晶臂间距的影响

为了解脉冲磁致振荡(pulse magneto-oscillation, PMO)技术对GCr15轴承钢定向凝固组织的作用，通过改变PMO参数和抽拉速率，研究了不同抽拉速率下PMO对定向凝固GCr15轴承钢枝晶臂间距的影响。结果表明：在相同抽拉速率下，PMO的峰值电流依次为150、250、350k_i A时，GCr15轴承钢的一次和二次枝晶臂间距先增大后减小。当峰值电流固定为350k_i A时，随着PMO频率从90、240、390k_f Hz依次增大，一次枝晶臂间距先减小后增大，二次枝晶臂间距逐渐变大。同时，随着抽拉速率的提高，枝晶臂间距减小幅度逐渐降低。通过测量温度梯度发现，在PMO作用下，固-液界面前沿液相中温度梯度的提高和溶质分布的变化，是枝晶臂间距减小的主要原因。     

晶体相场法模拟纳米晶体的单向拉伸变形

通过籽晶法控制晶体取向,研究了双晶镍基高温合金AM3胞状枝晶界面定向凝固过程中的双晶竞争生长.结果表明,两籽晶<001>取向的相对位置对晶粒竞争生长有很大的影响.双晶<001>取向在不同平面时,晶粒竞争生长的主要方式是通过物理阻挡,在晶界处处于阻挡优势的晶粒在竞争生长中胜出.对双晶的<001>取向在同一平面时,两籽晶以大角度背离发散生长时,在双晶的发散区容易生成杂晶.     

三维枝晶生长数值模拟及实验验证(英文)

建立了用于模拟立方晶系合金三维枝晶生长的改进元胞自动机模型。该模型将枝晶尖端生长速率、界面曲率和界面能各向异性的二维方程扩展到三维直角坐标系,从而能够描述三维枝晶生长形貌演化。应用本模型模拟在确定温度梯度和抽拉速度条件下三维柱状晶生长过程的一次臂间距调整机制和不同择优取向柱状晶之间的竞争生长。使用NH4Cl?H2O透明合金进行凝固实验,模拟结果和实验结果吻合较好。     

镍基合金焊接熔池凝固组织模拟

对原有元胞自动机中网格的捕获规则进行修正,完善了"对角线模拟角度"法则,并用其成功地模拟了镍基合金熔池凝固过程枝晶生长以及晶界偏析情况.结果表明,在焊接熔池凝固过程中,不同取向的晶粒之间存在着激烈的竞争生长.结晶取向与温度梯度最大的方向相一致的晶粒生长速度快,将其它取向的晶粒淘汰,在竞争中能够持续生长.同时,在枝晶与枝晶、枝晶臂与枝晶臂之间的残余液相中,存在溶质堆积现象,在凝固过程结束后,形成了严重的晶界偏析.     

镍基高温合金胞状枝晶界面定向凝固过程中的双晶竞争生长

通过籽晶法控制晶体取向,研究了双晶镍基高温合金AM3胞状枝晶界面定向凝固过程中的双晶竞争生长。结果表明,两籽晶<001>取向的相对位置对晶粒竞争生长有很大的影响。双晶<001>取向在不同平面时,晶粒竞争生长的主要方式是通过物理阻挡,在晶界处处于阻挡优势的晶粒在竞争生长中胜出。对双晶的<001>取向在同一平面时,两籽晶以大角度背离发散生长时,在双晶的发散区容易生成杂晶。     

纵向磁场对不同尺寸定向凝固高温合金DZ417G组织的影响

进行了外加纵向静磁场下高温合金DZ417G的定向凝固实验,考察了纵向磁场对不同尺寸试样凝固组织形貌的影响.结果显示,在温度悌度为70℃/cm,抽拉速率为5μm/s时,施加磁场后一次枝晶间距减小,并在试样边缘出现等轴晶组织;随着试样尺寸的增大,在试样边缘和中心的柱状枝晶组织遭到破坏,形成等轴晶组织,且出现"斑状"偏析.这些现象可归结为磁场在固/液界面前沿合金熔体中诱发的热电磁对流(TEMC)所致.     

Effect of withdrawal velocity on dendritic interfacial characteristic for Al-Cu alloy during directional solidification

采用Al-4%Cu合金, 对不同抽拉速率下定向凝固枝晶界面特征进行了研究. 结果表明, 当抽拉速率从100 um/s增至600 um/s时, 一次枝晶间距随抽拉速率的增大而减小. 在枝晶固/液 界面存在枝晶干的凸起, 其平--凸--平--凸的程度随抽拉速率的增加呈现先加强后减弱最后几乎消 失的规律. 随着抽拉速率的增大, 枝晶尖端温度先升高而后降低. 采用KGT模型和非平衡效应 研究了枝晶界面温度, 分析了尖端过冷度和尖端成分对枝晶界面特征的影响, 得到非平衡凝固枝 晶尖端过冷度的计算方程. 界面平-凸-平-凸的程度与枝晶尖端成分和尖端过冷度有关.     

抽拉速率对定向凝固Al-4％Cu合金枝晶界面特征的影响

采用Al-4%Cu合金,对不同抽拉速率下定向凝固枝晶界面特征进行了研究.结果表明,当抽拉速率从100 μm/s增至600μm/s时,一次枝晶间距随抽拉速率的增大而减小.在枝晶固/液界面存在枝晶干的凸起,其平-凸-平-凸的程度随抽拉速率的增加呈现先加强后减弱最后几乎消失的规律.随着抽拉速率的增大,枝晶尖端温度先升高而后降低.采用KGT模型和非平衡效应研究了枝晶界面温度,分析了尖端过冷度和尖端成分对枝晶界面特征的影响,得到非平衡凝固枝晶尖端过冷度的计算方程.界面平-凸-平-凸的程度与枝晶尖端成分和尖端过冷度有关.     

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.     

不同择优生长取向角枝晶生长的数值模拟

通过耦合溶质扩散方程,并考虑成分过冷和曲率过冷对界面平衡溶质成分的影响,建立改进的元胞自动机模型来模拟溶质扩散控制的立方晶系合金的枝晶生长过程。模型在计算固液界面生长速率时考虑立方晶系枝晶择优生长取向100的影响,同时采用斜中心差分格式对界面生长速率方程进行离散,从而能够模拟择优生长取向与坐标轴成不同夹角的枝晶生长形貌演变。为验证模型的可靠性,模拟NH4Cl-H2O系透明合金单个等轴枝晶以及不同择优生长取向角的多个等轴枝晶和柱状枝晶的形貌演化,模拟结果与实验结果吻合较好。