自由落体条件下三元Ni-Pb-Cu偏晶合金的快速凝固

在自由落体条件下研究三元Ni62Pb30Cu8偏晶合金的相分离与快速凝固.XRD分析结果表明;凝固组织由固溶体(Ni)和(Pb)两相构成;随液滴直径减小,三元Ni62Pb30Cu8偏晶合金从壳核组织演变为(Pb)相颗粒分布在 (Ni)枝晶间的组织;在形成的壳核组织中,表面张力较小的(Pb)相始终占据最外层,有利于降低表面相和体系总吉布斯自由能.能谱测定发现,在固溶体(Ni)和(Pb)相中,溶质截留效应十分显著.采用传热模型计算了不同直径液滴的冷却速率与过冷度,二者均随液滴直径的增大而减小.理论分析了合金液滴的内部温度梯度与第二相L(Pb)液滴的Maragoni迁移,发现第二相L(Pb)液滴充分实现二次相分离.在自由落体条件下,合金液滴的最终凝固组织由冷却速率、表面偏析、Marangoni迁移和(Ni)枝晶生长共同决定.     

急冷条件下Cu-Sn合金的快速枝晶生长

研究快速凝固Cu-xSn（x=7％，13．5％，质量分数）合金的相结构、组织形态和枝晶生长特性，将金属熔体热传导方程与Navier-Stokes方程相耦合，从理论上计算液态合金的冷却速率。结果表明：在急冷快速凝固条件下，Cu-7％Sn合金形成过饱和的单相α-Cu固溶体组织：Cu-13．5％Sn合金形成以亚稳的Cu137Sn相为主相、α-Cu为第二相的快速凝固组织：随着冷却速率的增大，溶质截留效应增强，合金相结构由复相向单相转变；沿垂直于辊面方向上合金的组织形态依次为近辊面细小等轴晶、中部柱状晶及自由面粗大等轴晶：增大冷却速率，晶体形态由柱状晶向等轴晶转变：在急冷快速凝固过程中，α-Cu和Cu137Sn相均以枝晶方式生长；随温度梯度的增大，晶体生长速率呈线性增大。     

强磁场作用下偏晶合金取向凝固组织的形成

研究了强磁场对Fe-49Sn和Cu-40Pb偏晶合金凝固组织的取向作用。研究结果表明,在强磁场作用下,Fe-49Sn和Cu-40Pb偏晶合金都形成具有一定取向的凝固组织。施加10T强磁场后,α-Fe晶体的磁各向异性和α-Fe枝晶的择优取向促使了Fe-49Sn偏晶合金形成沿平行磁场方向取向排列的富Fe相枝晶凝固组织,α-Fe的(110)晶面衍射强度明显增强;在12T强磁场作用下,强磁场对富Pb相小液滴运动及凝固前沿熔体流动的抑制作用,促使Cu-40Pb偏晶合金试样中心形成较长的规则排列的富Pb相棒状组织。     

快速凝固Cu-Sn合金的组织形态及相结构

研究快速凝固Cu-20%Sn亚包晶合金的相结构、晶体生长行为和组织特征,分析冷却速率与组织形成之间的相关规律。结果表明:在急冷快速凝固条件下,合金的包晶转变和共析转变均受到抑制,形成了以亚稳的Cu5.6Sn金属间化合物为主相的快速凝固组织;随着冷却速率的增大,-αCu相含量减少,Cu5.6Sn相数量显著增多;晶体生长的方向性增强;Cu5.6Sn生长方式由小平面向非小平面生长转变,组织形态由粗大板条状向细密柱状转变。TEM分析表明:在Cu5.6Sn晶内存在大量的位错塞积及孪晶;孪晶之间相互平行,间距约25~80 nm;随冷却速率的增大,位错密度增大,孪晶数量增多。     

Cu-Co合金快速凝固条件下的显微组织

在落管中进行Cu—Co合金的快速凝固试验，分析了液滴尺寸与合金成分对微观组织演变过程的影响。结果表明，液滴尺寸越小，其内部的富Co粒子越弥散；Co含量越接近亚稳液态组元不混溶区的临界成分，合金熔体越容易发生液-液相变，凝固组织中富Co粒子平均半径越大。液-液相变过程中富Co相液滴在液滴内部形核，并在温度梯度作用下向液滴中心高温区做Marangoni迁移，这最终导致在粉末表面形成贫Co层。     

偏晶合金液-液相变过程模拟

建立了能描述在弥散相液滴形核、扩散长大、碰撞凝并及两液相空间分离等因素共同作用下，偏晶合金液-液相变过程中组织演变过程的数学模型。将计算的温度场和浓度场与控制凝固组织演变的动力学方程相耦合，模拟研究了单向冷却条件下Al-Pb合金液-液相变过程中的组织演变过程。结果表明，随着冷却的进行，液-液相变区不断由试样底部向试样顶部推进，直至贯穿整个试样。由于在凝固过程中弥散相液滴进行Marangoni迁移和Stokes运动，试样中的某些部位会出现液滴贫化、过饱和度增加和多次形核现象。     

Fe含量对Zr60Cu40-xFex相分离非晶合金组织结构、电阻性能和纳米压痕行为的影响

在Zr60Cu40单相非晶合金中引入与合金次要组元Cu具有正混合焓的Fe元素,设计了Zr60Cu40-xFex相分离非晶合金,研究了 Zr60Cu40-xFex三元合金的液-液相分离行为.结果表明,二元Cu-Fe合金的液态组元不混溶区域可以延伸至三元Zr60Cu40-xFex合金中;在快速凝固条件下,该合金在冷却过程中会发生液-液相分离,形成富Cu和富Fe两液相;基于Zr60Cu40-xFex合金液-液相分离凝固特征,考察了 Fe含量对Zr60Cu40-xFex合金组织及相结构的影响,讨论了Zr60Cu40-xFex体系组织演变及相形成机制.Zr60Cu20Fe20合金在冷却过程中液-液相分离形成的富Zr-Cu和富Zr-Fe两液相分别发生玻璃转变,最终形成了高数量密度(1024/m3数量级)的纳米富Cu非晶粒子(尺寸为2～10nm)分布在富Fe非晶基体上的相分离非晶合金组织.研究了该合金样品的电阻性能和纳米压痕行为,讨论了 Zr60Cu20Fe20合金晶化过程的电阻反常变化行为,并分析了 Zr60Cu20Fe20合金的纳米尺度相分离组织结构对剪切转变区的影响.     

Cu-Co-Fe合金雾化合金液滴凝固过程研究

对Cu-10%Co-10%Fe(质量分数)亚稳液态组元不混溶合金开展了气体雾化快速凝固实验,制备了富Fe-Co相球形粒子均匀分布于基体Cu的复合粉末,建立了Cu-Co-Fe合金雾化液滴冷却过程中的温度场、浓度场和液-液相变动力学控制方程,研发了耦合合金热力学和相变动力学的模拟方法,模拟分析了Cu-10%Co-10%Fe合金雾化液滴的凝固组织形成过程.实验和模拟结果表明,在气体雾化快速凝固条件下,液-液相变过程中富Fe-Co相液滴Marangoni迁移和Ostwald熟化的影响很弱,粉末中心绝大部分区域内富Fe-Co相粒子的空间分布均匀.对于直径小于220 mm的Cu-10%Co-10%Fe合金粉末,富Fe-Co相粒子的平均半径Ra和数量密度N与雾化粉末直径d之间符合指数关系.     

不同凝固条件下Cu80Fe20合金凝固组织以及磁性能研究

通过制备不同凝固条件下亚稳难混溶Cu80Fe20合金,系统的研究了不同凝固条件下合金凝固组织以及软磁性能的差异。结果表明:铜板模具冷却得到的Cu80Fe20合金凝固组织由细小的胞状富Fe枝晶以及基体组成,说明该凝固条件下合金凝固过程中仅仅发生平衡液-固相转变;然而石墨模具冷却得到的Cu80Fe20合金凝固组织由球状的富Fe相、发达的富Fe枝晶以及基体组成,说明该凝固条件下合金凝固过程中不仅发生平衡液-固相转变,而且发生了液-液相分离,并发现相分离形成的少量相富Fe液滴内部结构存在富Fe层的存在,且在迁移发生聚合、凝并以及碰撞;同时研究发现,不同的凝固条件下得到Cu80Fe20合金的饱和磁化强度和矫顽力存在差异,但综合来看制备的合金均呈现良好的软磁性能。     

Ag-Ni偏晶合金凝固过程研究

对Ag-Ni偏晶合金开展了快速/亚快速凝固实验,获得了富Ni相粒子均匀弥散分布于Ag基体的合金样品,Ag-Ni合金显微硬度随着合金Ni含量增加和试样凝固过程冷却速率升高而增大,当Ag-4.0%Ni合金液-液相变开始阶段熔体冷却速率达1800 K/s时,其显微硬度接近粉末冶金生产的Ag-10.0%Ni片状电触头的硬度。建立了描述Ag-Ni合金凝固组织演变的动力学模型,模拟计算了Ag-Ni合金凝固组织形成过程,分析讨论了合金成分和试样直径(冷却速率)对Ag-Ni合金凝固组织形成过程的影响。结果表明:富Ni相液滴/粒子形核阶段熔体的冷却速率对合金凝固组织弥散度具有决定性影响;合金的Ni含量越高、试样冷却速率越低,凝固组织中富Ni相粒子平均尺寸越大;Ag-Ni合金熔体冷却凝固时,富Ni相液滴/粒子的尺寸主要受形核和长大控制,Ostwald粗化作用很弱。     

不同冷却条件下Cu60Co30Cr10合金的快速凝固（英文）

利用电磁悬浮和快淬实验研究Cu60Co30Cr10合金在亚稳不混溶区的液相分离和快速凝固特征。结果表明,合金的显微组织为富(Co,Cr)相分布在富Cu相基体中,且富(Co,Cr)相颗粒的形状和大小随着冷却速率的变化而有明显的区别。在悬浮凝固条件下冷却速率较低,富(Co,Cr)相较粗大,有明显的聚集粗化趋势,富(Cu)相中有大量富(Co,Cr)相枝晶。而在快淬凝固条件下富(Co,Cr)相明显细化,富(Cu)相中未发现富(Co,Cr)相枝晶形成,这可能与较高的冷却速率、较大的过冷度和较高的界面张力有关。     

Sn对Al-Pb偏晶合金凝固过程及组织的影响

研究了添加第三组元Sn对定向凝固Al-Pb合金组织的影响.结果表明,添加微量Sn能降低Al-Pb合金液-液相变时两液相间的界面能,促进富Pb相液滴形核和弥散型Al-Pb合金凝固组织的获得;随着Sn添加量的增加,弥散相体积分数增大,液-液相变温度区间和液-液-固三相温度区间之和增大,初生弥散相粒子和偏晶反应弥散相粒子的尺寸均增大;添加Sn促进Al-Pb合金中凝固界面枝晶化,这一方面促进弥散相液滴/粒子沿凝固方向均匀分布,另一方面,促进弥散相液滴/粒子沿定向凝固合金晶界分布.     

深过冷Fe-Mo合金中初生α-Fe相的快速生长

采用落管无容器处理技术实现Fe-8%Mo和Fe-26%Mo合金的深过冷快速凝固。结果表明:大尺寸Fe-8%Mo合金液滴的凝固组织由α-Fe枝晶晶粒组成,溶质Mo主要富集于晶界处。随着合金粒子直径的减小,α-Fe相组织形态由粗大枝晶向等轴晶转变并显著细化,同时α-Fe相的微观偏析逐渐减弱。当粒子直径减小到约100μm时,发生显著的溶质截留效应,过冷度和冷却速率的增大抑制了溶质Mo的扩散。大尺寸Fe-26%Mo合金液滴的快速凝固组织由残余α-Fe相和层片共析组织(μ+α-Fe)组成,且随着粒子直径的减小,凝固组织由层片状逐渐转变为颗粒状。理论计算表明,随着过冷度的增大,α-Fe枝晶发生由溶质扩散控制生长向热扩散控制生长的转变。发生该转变所需的临界过冷度随合金中Mo含量的增大而增大。     

Fe-Cu包晶合金急冷箔点焊接头的快速凝固与相分离

应用微型电容储能焊机对厚度约35～45 μm的Fe-60%Cu(质量分数)合金急冷箔进行点焊连接,观察接头的组织形貌,分析接头的冷却速率和温度梯度及其与熔核组织及接头性能的相关性.结果表明:应用电容储能焊瞬间放电所产生的高能量可以实现急冷合金箔的连接,获得直径34 μm、高30 μm、形状较规则的扁球状熔核;接头冷却速率达106 K/s,熔核组织具有明显的快速凝固特征;熔核在快速凝固过程中产生液相分离,富Fe相的小液滴在温度梯度驱动的Marangoni对流作用下向熔核中心移动,并不断凝并长大,最终形成一种第二相向中心偏聚的组织结构;随着温度梯度的增大,富Fe相液滴的运动速度呈线性增大;点焊接头的剪切强度较高,达241 MPa.     

快速冷却条件下Cu-Co合金的凝固

利用气体雾化方法研究了Cu-20%Co(质量分数)合金的快速凝固行为,获得了富Co相以微细球形粒子形式分布于基体的合金粉末.建立了Cu-Co雾化液滴快速凝固过程模型,模拟分析了雾化液滴凝固的动力学细节.结果表明:所建模型能很好地描述Cu-Co合金雾化液滴冷却凝固过程;液一液相变过程中组织演变是弥散相液滴形核、长大,碰撞凝并和空间迁移共同作用的结果;雾化液滴尺寸越大,冷却越慢,富Co相液滴的形核速率越低,凝固后富Co相的弥散度越差.     

自由落体条件下三元Al_(61)Cu_(27)Ag_(12)合金的组织形成

采用落管无容器处理技术实现了三元Al61Cu27Ag12合金的快速凝固。研究发现,随着合金液滴直径的减小,冷却速率和过冷度均呈指数形式增大。XRD分析表明,自由落体条件下合金凝固组织由η(AlCu)、θ(Al2Cu)和ζ(Ag2Al)三相组成。合金快速凝固过程中出现了θ相与ζ相的共生组织,并且随着液滴直径的减小,这种共生组织逐渐增多。结合平衡相图对快速凝固过程进行分析,结果表明,三元Al61Cu27Ag12合金的快速凝固过程可分为:初生η相形成、θ相与ζ相共生组织形成、包晶θ相持续生长和(θ+ζ)共晶生长等四个阶段。     

快速凝固Sn2.5Ag0.7Cu钎料中金属间化合物的形态及对焊点性能的影响

利用SP009A型半自动非金属系制造器,通过铜制单辊快淬工艺制得快速凝固态Sn2.5Ag0.7Cu钎料合金薄带,采用JSM-5610LV扫描电镜及能谱仪,研究快速凝固态钎料合金的微观形貌及金属间化合物(IMC)特征;通过钎焊接头组织与剪切断口分析,研究IMC对钎焊接头韧性的影响机制。结果表明:快速凝固态钎料合金焊点界面处形成的排列紧密的小尺寸β-Sn能有效抑制界面处IMCCu6Sn5的长大;在钎焊过程中,钎料中过饱和固溶体析出大量尺寸细小、弥散分布的金属间化合物Cu6Sn5和Ag3Sn,凝固时可作为第二相粒子与初生相混杂在一起,形成细小共晶组织分布于钎缝中,改善了焊点韧性。     

Al-Cu-Mg-Ag-Er合金晶界相组成及生长方式

研究了Al-4.0Cu-0.45Mg-0.4Ag-0.25Er合金铸态晶界相的组成及其生长规律.结果表明:稀土Er在合金中主要以Al8Cu4Er相的形式存在,Mg和Ag固溶于α-Al.合金铸态组织由α-Al固溶体、Al8Cu4Er相和Al2Cu相组成.Al8Cu4Er相和Al2Cu相共生于α-Al固溶体晶界,形成离异型共晶组织.凝固过程中,Al8Cu4Er相优先依附于先共晶相α-Al形核,并且分别以枝晶生长和平面生长这2种方式有选择的进行生长,形成α-Al、Al8Cu4Er相和Al2Cu相的三元共晶组织.     

Ag-Ni电接触材料快速/亚快速凝固过程研究

采用快速/亚快速凝固方法制备了富Ni相粒子弥散分布于Ag基体的Ag-Ni合金。建立了Ag-Ni合金凝固过程中组织演变的动力学模型,模拟计算了Ag-Ni合金凝固组织形成过程,分析讨论了合金成分对Ag-Ni合金凝固组织形成过程的影响。结果表明,合金的Ni含量越高,凝固组织中富Ni相粒子平均尺寸越大;Ag-Ni合金熔体冷却凝固时,富Ni相液滴/粒子的尺寸主要受形核和长大控制,Ostwald粗化作用很弱。     

Al-Bi合金凝固过程及微合金化元素Sn的影响

实验研究了Al-Bi合金凝固过程及微合金化元素Sn的影响,发现添加微量Sn能有效改变Al-Bi合金的液-液相变过程、细化富Bi相粒子。Sn对富Bi相的细化效果随着Sn添加量的增加而增强,当添加量≥0.10%(质量分数)时即可达到最佳细化效果。建立了Al-Bi合金凝固过程中组织演变的动力学模型,模拟分析了微合金化元素Sn作用下Al-Bi合金凝固组织形成过程。结果表明,微量Sn可有效降低Al-Bi合金两液相间的界面能,提高富Bi相液滴的形核率,促进Al-Bi合金形成弥散型凝固组织。