定向凝固多孔金属研究进展

本文从凝固理论、凝固方法与装置、凝固体系、性能及应用等方面,综述了定向凝固多孔金属的研究进展。圆柱形气孔规则排列的多孔金属是通过定向凝固方法在加压气氛中利用金属/气体共晶反应制备的。通过控制凝固方向,不仅可以制备一维藕状多孔结构,还可以制备二维放射状多孔结构。参考经典的JacksonHunt共晶模型,建立了稳态凝固条件下金属-气体共晶定向凝固的理论模型,并且给出了考虑H2逸出和定向凝固多孔结构形成的工艺参数窗口。介绍了模铸法、连续铸造法和Bridgman型定向凝固法3种制备技术。重点介绍了定向凝固多孔结构制备过程中的2个重要进展:孔结构均匀的定向凝固多孔合金的制备以及高孔隙率定向凝固多孔Al的制备。圆柱形气孔规则排列使得定向凝固多孔金属在力、热、声以及渗透等方面具有特殊的性能优势,因此在轻质结构材料、热沉、过滤器和人工骨等领域具有广阔的应用前景。     

定向凝固藕状多孔Al生长过程的模拟仿真

通过对Gasar凝固过程中的传质、气泡形核、气孔生长、中断及脱离等的理论分析,建立了一个描述单气孔演变过程的非稳态三维模型,并采用有限差分的方法模拟了不同凝固速率下定向凝固多孔Al的气孔形貌.基于Al-H2系的研究结果表明:当凝固速率在0.15~0.005 mm/s范围内时,固/气两相能够维持协同生长,气孔的平均孔径分布在100~1100 mm之间,但随凝固速率的降低会逐渐增加,气孔长度亦随凝固速率的降低逐渐增加,长径比则基本保持在40左右;当凝固速率为0.015 mm/s时,气孔孔径的模拟值与实验值吻合较好,之后随凝固速率的降低,模拟孔径略低于实验值,分析认为,实际凝固过程中熔体上方的H2向熔体内的不断扩散是导致该差异的主要原因;随着熔体过热度和H2分压的逐渐增大,对应藕状多孔Al固/气两相协同生长凝固速率范围的最大值由不足0.01 mm/s先逐渐增加之后稳定在0.15 mm/s,最小值则由0.0001 mm/s左右逐渐增加至约0.01 mm/s;对Al-H2系和Cu-H2系相关参数的比较分析表明,H2在金属熔体中的溶解度是决定Al-H2系Gasar结构中固/气两相协同生长凝固速率范围的主要参数.     

凝固模式对定向凝固多孔铜锰合金气孔结构的影响

采用金属-气体共晶定向凝固工艺（GASAR工艺）,制备气孔定向排列的多孔铜锰合金,并研究气孔结构的变化。结果表明：这种变化主要取决于合金的凝固模式（平面凝固、柱状胞晶凝固、柱状枝晶凝固、等轴枝晶凝固）,而合金凝固模式由合金的凝固过程决定。通过数值模拟发现,随着合金凝固的进行,合金的凝固模式从胞晶凝固向柱状枝晶凝固过渡,最终变为等轴枝晶凝固。通过升高合金熔体温度和铸型的预热温度,可以缩小等轴枝晶凝固的范围,扩大定向生长气孔的区域。     

Al-3B中间合金对亚共晶Al-Si合金的晶粒细化机制(英文)

Al-3B中间合金是亚共晶Al-Si合金的高效细化剂之一。实验研究了Al-3B中间合金中未溶AlB2颗粒对Al-7Si合金晶粒细化的影响。结果表明,AlB2颗粒的数目和沉降对晶粒细化效果都有重要影响。在实验结果和理论分析基础上,提出了Al-3B中间合金对亚共晶Al-Si合金晶粒细化的新机制,认为通过共晶反应形成的"Al-AlB2"包覆结构是导致晶粒细化的直接原因,未溶的AlB2颗粒是α(Al)相的间接行核基底。     

吹气法制备泡沫铝的性能

基于吹气法制备A356基泡沫铝工艺,采用高速搅拌并分批连续加入粉末的方式,避免熔体中颗粒分布不均匀的问题;采用静置吹气头通入压缩空气发泡,通过设计和控制气路,制备出不同孔径、不同壁厚、稳定的泡沫铝.结果表明A356基泡沫铝是一种典型的塑性泡沫材料,泡孔呈十四面体形状,泡壁较薄,厚度小于150μm,可控的泡孔平均直径范围很宽,为10～25mm;泡沫铝在致密化阶段的塑性变形量可达70%以上;不作任何预处理的泡沫铝在高频率声波下的吸声系数可达0.9以上;在泡沫样品后设置0～70mm空腔,其在低频率声波下的吸声性能显著提高;所制备的泡沫铝具有较好的声学性能和力学性能.     

铝合金熔体中氢溶解度的计算模型

基于Sieverts定律和多元合金组元活度系数计算模型,建立了一个计算氢在多元合金熔体中的溶解度的计算模型,该模型只需要氢在纯金属熔体中的溶解度参数,为预测多元合金熔体中氢含量提供了有效的途径.以此计算了氢在多种铝合金熔体中的溶解度随温度变化的情况,计算结果与实验值吻合较好.     

定向凝固金属-气体共晶的研究进展

金属-气体共晶是由一个液相在凝固过程中同时生成一个固相和一个气相的反应,即Liquid→Solid+Gas。在定向凝固条件下,金属-气体共晶可以形成类似于棒状共晶的组织,即圆柱状气孔定向排列于金属基体中的藕状多孔结构。1993年乌克兰学者Shapovalov博士在美国申请的一项专利中提出了用这种定向凝固金属-气体共晶方法制备藕状多孔金属的新工艺。其后,美国、日本、英国等国纷纷开展了相关的研究。各种常见的金属被用来制备藕状多孔金属。2003年,清华大学的李言祥研究组在教育部博士点基金的资助下开始相关研究,2005年,昆明理工大学周荣教授获得科技部973前期研究专项的资助,两校开始合作研究。几年来,研究取得了积极的进展。本文从①金属-气体共晶定向凝固装备;②金属-气体共晶定向凝固理论;③金属-气体共晶定向凝固藕状多孔材料等几个方面,全面介绍定向凝固金属-气体共晶的研究进展以及我们自己的相关研究成果。     

Cr含量对AlTiFeNiCuCr_x多主元高熵合金凝固模式和微观结构的影响

研究了不同Cr含量的AlTiFeNiCuCrx多主元高熵合金的凝固模式和微观组织特点。结果表明,高熵效应使合金仅由简单的体心立方结构和面心立方结构两相组成。Cr含量的增加使合金的凝固模式从亚共晶向过共晶凝固转移,铸态组织由枝晶状先析出相、菊花状共晶组织和枝晶间富Cu相组成。     

熔体发泡法与吹气法制备A356合金泡沫铝的微观组织对比研究

以A356铝合金为原料,通过熔体发泡法与吹气法分别制备了泡沫铝。其中,吹气法工艺分别采用Al2O3及SiC颗粒制备了样品。运用光镜、SEM、EDS、XRD等检测技术,对两种方法制备的泡沫铝的泡壁微观组织进行了比较研究,并分析了组织中第二相在泡沫稳定性中的作用。运用图像分析软件统计了各种第二相在组织中的平均面积分数,通过阳极覆膜技术确定了初生铝平均晶粒大小,而共晶硅的变质等级依据美国铸造协会的标准判定。结果表明,由于原料及工艺的不同使得两种泡沫铝在物相组成、各相面积分数、平均尺寸、初生铝相晶粒大小、共晶硅相变质等级等方面均存在较大的差异。     

定向凝固多孔Mg-Zn合金的制备及气孔结构

采用Bridgman型定向凝固法制备出藕状多孔Mg-Zn合金。研究了不同锌含量和氢气压力对气孔形貌的影响。通过理论计算对Mg-1Zn(质量分数,%,下同)合金的孔隙率进行了预测。结果表明,锌元素的加入会对孔结构产生重大影响。随着Zn含量从0%增加到2%,平均孔径增加。随着氢气压力从0.1 MPa增加到0.6 MPa,Mg-1Zn合金的孔隙率明显降低。基于氢气在多组分熔融金属中溶解度的计算模型,Mg-1Zn合金铸锭凝固高度为20 mm的不同氢压孔隙率的计算结果与实验的结果比较吻合。通过组织观察表明,随着Zn含量的增加,凝固组织由柱状晶转变为等轴晶。此外,研究了在不同凝固阶段孔的形成过程,可为在生物医用材料中应用的定向凝固多孔Mg-Zn合金的制备提供理论依据。