Al-7Si-0.36Mg合金定向凝固一次枝晶臂间距实验和模拟

通过Al-7Si-0.36Mg合金定向凝固实验和元胞自动机模型,开展定向凝固枝晶形貌演化和一次枝晶臂间距选择过程的实验和模拟。结果表明:在给定的凝固条件下,一次枝晶臂间距范围是一个连续的变化区间。在恒定温度梯度和不同凝固速度条件下,测得Al-7Si-0.36Mg合金一次枝晶臂间距上限值(λmax)、下限值(λmin)和平均值(λave)以及生长速率之间的关系,且上限值和下限值的比值接近3。模拟结果与实验结果的吻合程度明显优于Hunt-Lu等解析模型的预测结果,表明CA模型在枝晶定向凝固过程枝晶形貌演化模拟和枝晶臂间距预测等方面的准确性。结合模拟研究和文献调研分析影响定向凝固一次枝晶臂选择的因素,包括抽拉速度v、温度梯度G、界面能大小、溶质扩散系数DL、枝晶生长取向与热流方向的偏离角度θ等。     

抽拉速度对单晶叶片定向凝固过程的影响

建立了单晶高温合金涡轮叶片定向凝固过程数值计算的有限元模型,利用Pro CAST软件模拟计算了叶片在定向凝固工艺下不同抽拉速率时叶片凝固过程的固-液界面形状、纵向温度梯度、冷却速率和二次枝晶间距,预测了抽拉速率对杂晶形成的影响。结果表明,随着抽拉速率增大,温度梯度略有降低,二次枝晶间距减小;随着抽拉速率增大,叶片冷却速率增大,而起晶器和选晶器中的冷却速率不受抽拉速率的影响。     

Al-3．6％Cu合金定向凝固一次枝晶间距选择

采用Al—3．6％Cu单相固溶体合金,进行了较为全面的定向凝固淬火实验,考察了籽晶选取对合金凝固界面形态及一次枝晶间距的影响,并进一步分析了一次枝晶间距随凝固速度的演化规律。研究发现,籽晶的选取时于定向凝固的界面晶体取向和一次枝晶间距具有重要的影响,平均一次枝晶间距随着凝固速度的增大逐渐减小,且存在一个较宽的容许范围。实验结果与HL模型及LIN自洽模型计算获得了较好吻合,而KGT模型明显高估了实验值。     

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。     

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。     

Tb0．27Dy0．73Fe1．95合金定向凝固时的固液界面形貌与择优取向

在自制的超高温度梯度定向凝固装置中,通过对Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金定向凝固条件和固液界面形貌及晶体生长取向间的关系进行分析,发现Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金定向凝固时发生胞枝转变的的凝固条件为GL/V值介于9.60×102K.s/mm2～10.45×102K·s/mm2之间.固液界面形貌与晶体取向间有明显的对应关系,固液界面形貌为胞状晶或无侧向分枝的树枝晶时其择优取向为〈110〉,结晶形貌为树枝晶时其择优生长方向为〈112〉,而在胞-枝转变区晶体为〈110〉,〈112〉,〈113〉等多种取向的混合.当Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金以较低的晶体生长速率定向凝固时易产生〈110〉择优生长方向,并且产生〈110〉择优生长方向时的晶体生长速率范围随温度梯度的增加而扩大.     

合金定向凝固一次枝晶间距模拟

建立二元合金树枝晶生长的二维元胞自动机模型,模拟丁二腈2.5%(质量分数)乙醇定向凝固枝晶生长和一次枝晶间距选择过程。模拟结果表明:在给定的凝固条件下,定向凝固一次枝晶间距可在一个范围内变化,其具体取值与凝固历史具有相关性。在相同的温度梯度和不同冷却速度下,模拟给出的一次枝晶间距上、下限与实验结果吻合较好,详细分析影响定向凝固一次枝晶间距上下限的因素。结果表明:在给定凝固条件和合金系条件下,液相中无对流,影响一次枝晶间距上下限的主要因素是界面能和溶质扩散系数。     

晶体取向对DD8镍基高温合金定向凝固的界面稳定性的影响

研究了晶体取向对ＤＤ８镍基高温合金定向凝固的界面稳定性的影响,同时考察了抽拉方式对该晶体取向效应的作用。结果表明,〈１００〉偏离热流方向的晶粒在平界面区比〈１００〉与热流方向一致的晶粒的界面稳定性大,而在胞枝转变区则相反;以平界面速度、胞晶速度和枝晶速度连续抽拉及逆过程的速度递减抽拉对以上结果的影响一致。研究表明,晶体取向对凝固界面稳定性的影响是由于液相原子在不同晶面的结晶面上沉积时形成的原子键不同,影响了系统自由能的降低,影响了液相原子迁移至固相界面上的有效跳动频率和固相原子迁移至液相中的有效跳动频率,影响了液固相界面前沿的溶质分布和成分过冷所致。     

凝固速率对Cu-1.0wt%Cr合金界面形态及枝晶演变的影响

研究了定向凝固速率对Cu-1．0wt％Cr亚共晶合金凝固界面形态及枝晶生长的影响。结果表明：当温度梯度一定时，随着凝固速率的提高，初生α相形态经过平面晶-胞晶组织-粗树枝晶-细树枝晶一系列的演化；初生α相的一次枝晶间距λ1在胞晶生长阶段逐渐增大，而在枝晶生长阶段，λ1又逐渐减小；而二次枝晶间距λ2随凝固速率的增加一直减小。     

Zn—2.75%Cu合金定向凝固组织及对流的影响

研究了Zn-2.75%Cu合金在传统Bridgeman法和ACRT－B法下定向凝固组织的差别。着重讨论了生长速度和液相强制对流对Zn-Cu包晶定向凝固组织的影响。实验发现,在Bridgeman法定向凝固过程中,生长速度的增加使得液相中的温度梯度减小,一次枝晶间距减小,一次枝晶间距与生长速度和温度梯度的关系式为：λ1=0.6064R^-0.25GL^-0.5。强制对流使得一次枝晶发生分叉和偏转。并且随着对流强度的加大,一次枝晶间距降低,二次枝晶的生长被抑制。包晶反应的存在,使得枝晶的尖端和二次枝晶熔解,造成了固相中枝晶和初生枝晶的差别。     

CMSX-2单晶高温合金高梯度定向凝固下过渡区的组织演化特征

用高温度梯度定向凝固装置研究了CMSX－2单晶高温合金初始过渡区的组织演化特征，获得了不同条件下过渡区单晶高温合金的平－胞－枝组织结构，以及相应的一次胞枝晶间距大小，发现初始过渡区的凝固过程影响到最终获得的凝固组织。采用的匀加速抽拉方式有利于提高单晶的引晶率和单晶凝固组织的完整性。     

浇注温度对双辊薄带凝固组织影响的模拟预测

在已建立的理论数学模型的基础上，以1Cr18Ni9Ti不锈钢为研究对象，模拟预测了在薄带厚度保持不变条件下浇注温度对薄带凝固组织中柱状晶区比例、柱状枝晶间距和取向度的影响规律。结果表明：随着浇注温度升高，1Cr18Ni9Ti不锈钢双辊薄带凝固组织中柱状晶区比例首先增大，然后又逐渐减小。而柱状枝晶取向度和枝晶间距则随着浇注温度的升高而减小，但在较高的浇注温度条件下，柱状枝晶问距在凝固结束时有突然增大的趋势。     

EFFECTS OF WITHDRAWAL RATE ON MICROSTRUCTURE AND STRESS RUPTURE PROPERTIES OF A Ni3Al–BASED SINGLE CRYSTAL SUPERALLOY IC6SX

采用螺旋选晶法制备Ni₃Al基单晶合金IC6SX试棒, 研究了不同拉晶速率对凝固组织和高温持久性能的影响. 结果表明, Ni₃Al基单晶合金IC6SX凝固组织为树枝状, 随着拉晶速率从1.5 mm/min增加到6 mm/min, 一次枝晶间距逐渐减小. 与普通镍基高温合金不同, 位于枝晶干处的次生γ'相尺寸比枝晶间处的大. 随着拉晶速率的增加, 枝晶干和枝晶间处的γ'相尺寸都逐渐减小, 由不规则形状逐渐立方化, 枝晶间处的初生γ'相的数量逐渐增多. 一次枝晶间距和γ'相尺寸对高温持久性能影响显著, 随着拉晶速率的增加, 组织细化, 铸态IC6SX单晶合金的高温持久寿命增加.     

Influence of directional solidification variables on primary dendrite arm spacing of Ni-based superalloy DZ125

The primary dendrite morphology and spacing of DZ125 superalloy have been observed during directional solidification under high thermal gradient about 500 K/cm. The results reveal that the primary dendrite arm spacing decreases from 94 μm to 35.8 μm with the increase of directional solidification cooling rate from 2.525 K/s to 36.4 K/s. The regression equation of the primary dendrite arm spacings λ1 versus cooling rate is λ1=0.013(GV)-0.32. The predictions of Kurz/Fisher model and Hunt/Lu model accord reasonably well with the experimental data. The influence of directional solidification rate under variable thermal gradient on the primary dendrite arm spacing has also been investigated.     

一种镍基单晶高温合金的高温度梯度定向凝固组织及枝晶偏析

采用双区加热和液态金属冷却法 (LMC) 相结合, 对一种含4%Re (质量分数) 的镍基单晶高温合金进行了高温度梯度定向凝固. 结果表明: 与传统的“ 高速凝固法 (HRS) ” (温度梯度G=20-40 K/cm, 抽拉速率V=50-100 μm/s, 一次枝晶间距 λ₁=200-400 μm)相比, 该技术可以显著提高凝固界面前沿的温度梯度 (G=238 K/cm) 和抽拉速率 (V=500 μm/s). 随着抽拉速率的提高, 凝固界面形态呈现出平面、胞状、粗大枝晶和细枝晶形态, 一次枝晶间距不断减小, 通过固态相变析出的γ' 强化相也被显著细化, 当G=238 K/cm, V=500 μm/s时, λ₁和枝晶干γ' 相平均尺寸分别减小到61.3和0.04 μm. 电子探针测定表明, 随着抽拉速率的提高, 枝晶偏析呈现先增大后减小的趋势. 这是高温度梯度条件下, 固相反扩散作用强烈影响元素在枝晶中分布的结果.     

晶体取向对激光快凝重熔区组织形态的影响

利用5kWCWCO2激光器对DD2单晶合金进行了表面熔实验,研究了基材晶体取向对重熔区微观组织生长方向的影响,结果表明：熔池中微观组织的生长方向强烈地受基材晶粒取向和激光束扫描方向的影响。在同一晶面上,沿不同晶向进行扫描时,重熔区组织生长方向明显不同,枝晶生长条件下,择优取向对枝晶生长方向的影响要较热流的影响大。     

Effect of sample diameter on primary dendrite spacing of directionally solidified Al-4%Cu alloy

The relationship between primary dendrite arm spacing and sample diameter was studied during directional solidification for Al-4%Cu (mass fraction) alloy. It is shown that primary dendrite spacing is decreased with the decrease of the sample diameter at given growth rate. By regressing the relationship between primary dendrite arm spacing and the growth rate, the primary dendrite arm spacing complies with 461.76v-0.53, 417.92v-0.28 and 415.83v-0.25 for the sample diameter of 1.8, 3.5 and 7.2 mm, respectively. The primary dendrite spacing, growth rate and thermal gradient for different sample diameters comply with 28.77v-0.35G-0.70, 23.17v-0.35G-0.70 and 23.84v-0.35G-0.70, respectively. They are all consistent with the theoretical model , and b1/a1=2. By analyzing the experimental results with classical models, it is shown that KURZ-FISHER model fits for the primary dendrite spacing in smaller sample diameters with weaker thermosolute convection. Whereas TRIVEDI model is suitable for describing primary dendrite arm spacing with a larger diameter (d＞2 mm) where convection should be considered.     

SOLIDIFICATION OF NICKEL-BASED SINGLE CRYSTAL SUPERALLOY BY ELECTRIC FIELD

The crystal growth of a nickel-based single crystal superalloy DD3 was researched via controlled directional solidification under the action of a DC electric field. The cellular or dendrite spacing of the single crystal superalloy is refined and microsegregation of alloying elements Al, Ti, Mo and W, is reduced by the electric field. The electric field decreases the interface stability and reduces the critical growth rate of the ceUular-dendritic translation because of Thomson effect and Joule heating. The precipitation of the γ＇ phase is more uniform and the size of the γ＇ phase is smaller with the electric field than that without the electric field.     

单晶镍基高温合金DD8激光快速熔凝组织

DD8单晶镍基高温合金经激光扫描快速熔凝后, 熔池表面宽度随扫描速率增加变窄; 一次枝晶间距随冷却速率增加而减小. 分析表明: 熔凝后元素的枝晶偏析不明显, 合金成分趋于均匀. 熔凝后的凝固形态由熔池底部到表面依次为准平面凝固、胞状凝固、胞枝状凝固和细密枝晶凝固. 准平面和胞状凝固区由γ固溶体及弥散γ'相 (20 nm) 组成. 在胞枝晶和枝晶凝固区, 枝晶间出现一种高Ti含量条状相. 在过渡区, γ固溶体及γ'相皆部分熔凝, 未全溶的γ'相成为熔凝再析出弥散γ'相的核心, 过渡区γ'相呈堆状分布.     

Pb—Sn合金三次树枝晶的形成判据

在定向凝固条件下对Pb－Sn合金的树枝晶生长进行了探讨,发现三次枝晶只能出现在过共晶区域。一次枝晶间距与二次枝晶间距的比值大对三次枝晶的形成有直接的影响;较小的生长速度和较高的温度梯度有利于三次枝晶的形成。在此基础上提出了三次枝晶的形成判据,并与试验现象进行了对比分析。