冷却速率对AZ91D镁合金非平衡凝固组织的影响

采用铜模喷铸和单辊甩带分别制备AZ91D镁合金非平衡凝固试样,利用ProCAST数值模拟软件及理论公式分别估算相应冷却速率。综合采用光学显微镜、扫描电镜、能谱分析仪、X射线衍射仪及差热分析仪对比研究冷却速率对镁合金非平衡凝固组织的影响规律。结果表明:随冷却速率提高,AZ91D合金的初生相形貌从粗大枝晶向细小等轴晶发生转变,晶粒发生明显细化,平均尺寸从铸态条件下的800μm降低到单辊甩带条件下的5μm以内。共晶相从连续网状向不连续弥散状分布转变,体积分数不断减小,单辊甩带条件下可制备出单相固溶体组织。快速凝固条件下合金基体中Mg和Al元素成分分布均匀,溶质偏析得到有效控制。     

真空铜模吸铸三元Ti-44Al-6Nb合金凝固组织演化研究

采用真空非自耗电弧炉和铜模真空吸铸设备分别制备了三元Ti-44Al-6Nb合金钮扣铸锭和真空吸铸棒状试样(φ5 mm×90 mm),借助扫描电镜和能谱及X射线衍射仪分别研究了合金铸态和吸铸凝固组织的形貌、成分以及相组成,同时利用Thermo-Calc软件计算了Ti-Al-6Nb合金变温截面相图并预测了凝固路径。结果表明:通过相图及铸态凝固组织特征分析,初生相为β相,凝固路径为单一β相的凝固,铸态组织均匀化,白色β型偏析呈条状分布,未观察到明显的凝固偏析;真空铜模吸铸急冷区凝固组织均匀、细化且无凝固偏析,而在糊状区呈现出明显的枝晶形貌且具有典型的包晶凝固特征,这表明随着冷却速率的降低,凝固路径由单一β相凝固转变为包晶凝固。     

铜模喷铸Cu-Zr合金非平衡凝固组织演变行为

采用真空感应熔炼与铜模喷铸相结合,制备出不同成分的Cu_(100-x)Zr_x(x=5,30,50)合金。利用光学显微镜、扫描电镜、能谱分析及X射线衍射技术,对比研究了快冷合金的晶粒形貌、元素分布、相组成及类型等组织演化规律。结合差热分析技术研究了合金实时凝固过程。结果表明,随Zr含量增加,非平衡凝固Cu-Zr合金中初生相体积分数不断提高,分别呈现非小平面→小平面→非小平面的转变。由于铜模激冷效应,Cu_(70)Zr_(30)合金中Cu_(51)Zr_(14)+L→Cu_8Zr_3包晶转变与Cu_(50)Zr_(50)合金中CuZr→Cu_(10)Zr_7+CuZr_2共析转变均受到抑制。热分析曲线中未出现包晶相变峰和共析相变峰,合理解释了Cu-Zr合金非平衡组织的形成。     

Mg30Zn60Y10合金中二十面体准晶相的生长及形态演化

利用楔形铜模具激冷浇注方法和SEM、XRD、DTA、TEM等分析手段,研究了Mg30Zn60Y10合金中二十面体准晶相(I-相)的形成过程和不同冷速下该合金的凝固组织.研究结果表明,在中等冷速下,I-相主要以初生相与剩余液相发生包晶反应形成.随着冷速的增大,I-相的生长形貌将由棱面状向枝晶状转变.当冷速大到一定程度时发生初生相的相选择.在利用DTA分析I-相的形成温度时发现,包晶反应即I-相开始形成的温度受分析时采用的温度变化速率影响.     

Al-Y包晶合金非平衡凝固过程及组织特征

包晶凝固过程中小平面-小平面两相复相生长方式是凝固领域研究的一个热点。以初生相和包晶相都是严格计量比金属间化合物的Al-Y包晶合金作为研究对象,利用DSC热分析技术,严格控制冷却速度,获得不同凝固条件的非平衡凝固试样,研究了两相为小平面相的Al-Y包晶合金的凝固行为。发现小平面-小平面包晶系合金包晶凝固过程中,非平衡凝固特性及宏观偏析特点比非小平面包晶系更加明显。凝固特征温度与平衡相图偏差明显,包晶反应温度和包晶相直接凝固温度都远高于平衡相图给定的值,相对于相图是在“过热”条件下发生的,而固溶体型包晶合金一般是在“过冷”条件下发生的。包晶转变过程非常微弱,致使初生相残留量远高于平衡相图。即使对于过包晶成分的合金,其凝固组织中仍存在大量的共晶凝固组织,最终得到的凝固组织与平衡相图存在显著差异。     

不同冷却速率下Zn-2Ni合金包晶凝固研究

采用SEM、EDS及XRD研究了Zn-2Ni合金从750 ℃以不同冷却速率冷却的包晶凝固组织特点.结果表明,冷却速率为0.04 ℃/s时Zn-2Ni合金凝固组织中的包晶γ相仅局部依附于初生γ相上生长;冷却速率为1 ℃/s和36 ℃/s时合金凝固组织中均未能观察到包晶δ相;表明Zn-2Ni合金发生包晶凝固时有别于常规包晶凝固特点,包晶δ相在初生γ相上形核困难且生长速率缓慢.     

Pb-Bi包晶合金凝固过程的DSC差热分析

利用差示扫描量热分析仪(DSC)对Pb-Bi包晶合金的凝固过程进行了差热分析研究,确定了不同成分的Pb-Bi合金的固、液相线温度和初生相析出及包晶反应的温度。同时通过分析DSC曲线和凝固组织获得了不同成分的合金在不同的冷却速率下初生α相的形核过冷度及其体积分数,以及初生α相和包晶β相的结晶潜热。结果表明,初生α相的形核过冷度随着合金成分和冷却速率的增大而增大,其体积分数与结晶潜热却随合金成分的增加而减小,随冷却速率的增加而增大,包晶β相的体积分数与结晶潜热则与初生相的变化规律相反。     

非平衡凝固AZ91+0.75%Er镁合金及其热处理

采用铜模喷铸技术制备出AZ91+0.75%Er(质量分数)稀土镁合金非平衡凝固试棒,研究了低温时效及高温固溶对合金组织和显微硬度的影响规律。结果表明,稀土元素的添加及冷却速率的提高均有利于细化AZ91镁合金组织,其中后者影响效果更加明显。急冷条件下的溶质截留效应还可以消除铸态稀土镁合金中的Al-Er针状化合物相。非平衡凝固合金经200℃时效处理后,β相从过饱和固溶体中析出。时效16 h后,Mg-Er稀土化合物相以颗粒团聚状从基体中形成。420℃固溶处理时,非平衡凝固合金中β相发生溶解,晶粒形貌转变为多边形等轴晶组织,平均晶粒尺寸随固溶时间的延长而不断增加。非平衡凝固及后续时效处理可有效提高稀土镁合金的显微硬度,而固溶条件下合金硬度值有所降低。     

SiC颗粒参与下亚快速凝固镁合金组织与性能研究

采用真空感应熔炼与阶梯型铜模喷铸相结合方式,制备出SiC颗粒参与AZ91镁合金非平衡凝固试样,研究了异质颗粒含量与铜模冷速协同作用下亚快速凝固合金的组织演化规律。结果表明,相同铜模内径条件下,SiC颗粒的加入可以有效细化镁合金的凝固组织。400℃固溶处理后,晶界处β-Mg17Al12相消失,初生α-Mg晶粒由细小粒状分布向多边形组织发生转变。由于SiC颗粒对晶粒长大的钉扎效应,保温2h后原始细晶组织得以保存,晶粒尺寸趋于均匀。随铜模内径降低,冷却速度增大,合金细化效果更加明显。当SiC含量2wt%,铜模内径2mm时,非平衡凝固镁合金的显微硬度值最高,可达142Hv,相比铸态提高了87%。     

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。     

Q345D低碳钢近平衡凝固相的转变试验

为了研究近平衡凝固对液相线和包晶反应温度的影响,分别采用差热分析仪和自制的高温相转变凝固试验装置对Q345D低碳钢进行凝固相转变试验及高温凝固组织进行研究。试验表明,试样在近平衡冷却条件下20和30 ℃/min冷却时,与平衡凝固相转变相比初生铁素体析出温度分别降低了56和88 ℃,包晶反应转变温度分别降低了29和68 ℃。另外,在液相线以上发生近平衡凝固后得到的组织为液相直接形成奥氏体;在包晶转变温度发生近平衡凝固时,形成奥氏体晶粒形核较小,晶内组织为针状马氏体,晶界处有少量高温自由铁素体,包晶反应未发生;而在奥氏体转变区发生近平衡凝固时,奥氏体晶粒充分长大,即包晶反应转变完全发生,同时高温铁素体消失。     

冷却速率对Zn-30Al-1Cu合金组织的影响

采用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜和X射线衍射仪研究了冷却速率对Zn-30Al-1Cu合金微观组织的影响.结果表明,Zn-30Al-1Cu合金初始凝固组织主要由初生相α’相、包围在初生相周围的包晶β相和共析组织(α+η)组成,共析组织由包晶β相分解而来.凝固后期共析胞向枝晶中心生长,使α相分解为层片α+η组织.随冷却速率增大,初生相由枝晶状变成等轴晶粒,尺寸也越来越小,沉积态晶粒尺寸最细小,铸态晶粒尺寸最大.冷却速率提高Cu元素在基体相中的固溶度,沉积态合金中没有发现富铜相ε,Cu元素全部固溶到基体中;普通铸造和快速凝固合金中均发现富铜相ε,它们存在于枝晶间和η相中.     

合金成分和冷却速率对Al-Cu合金凝固过程中初生Al_2Cu相生长形貌的影响

对Al-x Cu(x=30,40,45,50,质量分数,%)合金凝固组织进行了系统的观察.结果表明,随合金中Cu含量由30%(质量分数,下同)增加到50%,合金中初生Al_2Cu相形貌由枝晶状逐渐转变为棱面状,表明Al_2Cu相的生长方式由非小平面生长转变为小平面生长.冷却速率对初生Al_2Cu相生长形貌具有重要影响,冷却速率较低时,初生Al_2Cu相为规则的棱面状;随着冷却速率增大,初生Al_2Cu相逐渐转变为不规则的非棱面状,表明Al_2Cu相的生长方式由小平面生长转变为非小平面生长.对凝固过程中初生Al_2Cu相形貌转变研究发现,Cu含量为45%时,初生Al_2Cu相形貌由枝晶状向方形转变;Cu含量增加到50%时,初生Al_2Cu相形貌由枝晶状转变为网状.     

含SiC颗粒亚快速凝固镁合金的组织与性能

采用真空感应熔炼与阶梯型铜模喷铸方式,制备出含SiC异质颗粒的AZ91镁合金非平衡凝固试样,研究了异质颗粒与铜模冷速协同作用下亚快速凝固合金的组织演化规律。结果表明,在铜模相同内径条件下,SiC颗粒的加入可以有效细化镁合金的凝固组织。400℃/2 h固溶处理后,晶界处β-Mg_(17)Al_(12)相消失,初生α-Mg晶粒由细小粒状分布向多边形组织发生转变。由于SiC颗粒对晶粒长大的钉扎效应,固溶处理后原始细晶组织得以保存,晶粒尺寸分布趋于均匀。随铜模内径减小,冷却速度增大,晶粒细化效果更加明显。当SiC含量为2%,铜模内径为2 mm时,非平衡凝固镁合金的HV显微硬度值最高,可达1.42 GPa,相比铸态提高了87%。     

过冷Co_(75)B_(25)合金的凝固

利用熔融玻璃包覆加循环过热技术将Co75B25包晶合金熔体过冷至液相线下不同温度,通过凝固组织观察结合冷却曲线分析,确立了其凝固路径。结果表明:所有过冷度凝固后的试样中均只有a-Co和Co2B相,Co2B相与残余液相反应形成Co3B相的包晶转变被完全抑制,且在344 K实验所得最大过冷度下Co3B相也不能作为初生相析出;即使降低冷速至5 K/min,合金在小过冷度下凝固时也没有发生包晶反应。     

Mg70Zn28Y2合金凝固过程、凝固组织及包晶反应初生相研究

采用XRD，SEM，EDX，TEM，DTA等试验分析手段及快淬方法对MgToZn28Y2准晶合金凝固过程、凝固组织以及对和准晶形成相关的包晶反应初生相进行了研究。Mg70Zn28Y2合金铸态组织由α-Mg枝晶，Mg7Zn3基体相和二十面体准晶相组成。在铸态Mg-Zn-Y合金中观察到了完美的呈5次旋转对称性的平衡态准晶晶体外形。Mg70Zn28Y2合金凝固过程中准晶由包晶反应生成。差热分析显示包晶反应初生相在563℃形成，准晶形成的温度为416℃。能谱分析结果显示包晶反应初生相的成分为Mg22.94Zn55.73Y21.33。通过快淬方法保留的包晶反应初生相呈现粗大枝晶状。然而，通过背散射图片中所观察到准晶中的残留包晶初生相尺寸较小。     

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-55Sn亚包晶合金的定向凝固组织研究

考察了定向凝固速率在0．5～100μm／s范围内的Cu-55Sn亚包晶合金凝固组织及凝固速率对微观组织形态、界面温度及相含量的影响。结果表明，定向凝固组织由初生ε相、包晶η相和共晶体（η＋sn）组成。定向凝固速率在0．5～1．0μm／s范围内时，初生相连为一体，包晶相呈块状嵌于初生相内；当凝固速度大于5μm／s，组织为常见的包晶η相包裹ε相的板条状，其中ε相为领先相，不能形成ε相和η相等温界面的耦合生长，与最高界面生长温度假设的分析相一致。定向凝固过程中包晶转变不明显，包晶η相大部分由液相直接凝固而成，并且随冷却速度增大，凝固时间减少，包晶相含量先增后减，在10μm／s附近出现极值。     

Al-Mg-Sc-Zr合金中初生相的析出行为

利用扫描电子显微镜(SEM)和电子探针(EPMA)研究液态金属的冷却速率对Al-6Mg-0.2Sc-0.15Zr(质量分数,%)合金中初生相的结构、形貌及成分的影响。结果表明:在较低的冷却速率下(随炉冷却),液态金属中析出的初生相为L12结构的Al3(Sc,Zr)相和D023结构的Al3(Zr,Sc)相。初生Al3(Sc,Zr)相为Zr溶解在Al3Sc相中的固溶体,具有复杂的形貌和较高的体积分数;当冷却速率较大时(钢模具冷却),D023结构的Al3(Zr,Sc)相的析出受到抑制而形成L12结构的Al3(Sc,Zr)相或亚稳态的Al3(Zr,Sc)相;当冷却速率足够大时(铜模具冷却),α(Al)基体在较高的过冷度下快速结晶,初生相的形成完全受到抑制。     

冷却速率对Al-5Zr中间合金凝固组织的影响

研究冷却速率对Al-5Zr中间合金中Al_3Zr相尺寸形貌的影响,并分析冷却速率对Al_3Zr相形核与长大速率的影响。结果表明:随冷却速率由耐火模的2.0℃/s提高到铜模的45.6℃/s,初生Al_3Zr相由粗大板条状转变成细小的片层状。当冷却速率分别为2.0、29.3和45.6℃/s时,试样中初生Al_3Zr相长轴平均长度分别为215、175和45μm,对应最大尺寸Al_3Zr相的长轴长大速率分别为5.4、53.2和38.4μm/s,试样中形核数量分别为23、54和309 mm~(-2)。