Convective Flow and Its Effect on the Liquid-liquid Phase Transformation of Monotectic Alloys

建立了偏晶合金液--液相变过程中的两相流动模型, 发展了偏晶合金凝固理论模型; 以Al-Pb合金为例, 模拟研究了偏晶合金凝固时的组织演变进程, 考察了流动对凝固组织形成的影响. 结果表明, 对流影响液--液相变的形核特性, 提高凝固界面前沿最高弥散相液滴数量密度、最大液滴半径和最高弥散相 体积分数, 促进宏观偏析组织的形成.     

直流电流作用下Al-Bi偏晶合金连续凝固研究

开展了直流电流作用下Al-Bi偏晶合金的连续凝固试验,研究了直流电流密度、合金成分、凝固速度以及基体熔体与弥散相液滴电导率等因素对偏晶合金凝固组织形成的影响。结果表明,直流电流能够促使偏晶合金液-液相变过程中弥散相液滴发生径向迁移。当弥散相液滴的电导率小于基体熔体的电导率时,弥散相液滴在直流电流作用下由试样中心向试样表面迁移;当弥散相液滴的电导率大于基体熔体的电导率时,弥散相液滴在电流作用下由试样表面向试样中心迁移。     

对流对偏晶合金液-液相变过程的影响

建立了偏晶合金液-液相变过程中的两相流动模型,发展了偏晶合金凝固理论模型;以Al-Pb合金为例,模拟研究了偏晶合金凝固时的组织演变进程,考察了流动对凝同组织形成的影响.结果表明,对流影响液一液相变的形核特性,提高凝固界面前沿最高弥散相液滴数量密度,最大液滴半径和最高弥散相体积分数,促进宏观偏析组织的形成.     

磁场对Cu-Pb-La过偏晶合金液-液分离的作用

本实验在Cu-80%Pb过偏晶合金凝固过程中添加稀土元素La,研究不同冷却速度下稀土元素在过偏晶合金凝固制备中的作用,并研究施加磁场对Cu-Pb过偏晶合金液-液分离区凝固组织的影响,探讨了磁场下第二相的迁移和分布规律,为均质偏晶合金制备技术的改进提供参考。结果表明,添加La元素可显著降低Cu-80%Pb凝固组织中的宏观偏析,促进第二相颗粒的均匀分布和细化。较快的冷却速度下添加La元素的作用更加明显,偏析程度显著降低,在此冷速下进一步施加1 T水平方向磁场,Cu-Pb-La合金凝固过程中宏观偏析得到了抑制,富Cu相颗粒弥散,组织分布均匀。     

定向凝固速度对Al-Bi偏晶点成分合金凝固组织的影响及计算机分析

通过实验研究Al-Bi偏晶点成分合金定向凝固速度对合金组织产生的影响。实验结果表明,Al-Bi偏晶点成分合金试件定向凝固速度较快时,固-液界面内部会形成Bi富集层,由于凝固界面前沿相液滴发生迁移,使得合金凝固后出现单峰值粒子尺寸。在试件定向凝固速度较慢时,合金少量相液滴按照指向-背离-再指向凝固界面的顺序发生尺寸变化,合金凝固后出现双峰值粒子尺寸。     

铜基偏晶合金的研究现状

铜基偏晶合金(Cu-Co、Cu-Fe、Cu-Cr等)具有优异的电、磁、力学等特性,受到国内外材料科学领域学者的广泛关注。在制备过程中,铜基偏晶合金由于发生液相分离行为并形成严重的偏析组织现象,被称为不混溶合金。过去的研究主要集中于寻求使铜基偏晶合金组织均匀的制备方法,然而近期研究表明,偏析组织异质结构的强度-韧性协同作用有利于提高材料的韧性,这为铜基偏晶合金的进一步发展提供了新思路。本文综述了目前国内外对铜基偏晶合金的液相分离和偏析组织形成机理的理论研究成果(包括液相分离组织结构演变、液相分离热力学以及第二相液滴形核生长动力学研究),归纳了目前主流的改善偏析组织方法(包括微合金化法、快速凝固法和激光成形法),阐述了铜基偏晶合金因液相分离特性产生的双相复合微观组织结构的强度-韧性协同作用,最后对铜基偏晶合金未来的研究发展方向进行了展望。     

连续凝固偏晶合金薄带凝固组织进化过程模拟

分析了偏晶合金薄带垂直连续凝固过程,发展了描述该条件下偏晶合金凝固组织演变的数学模型,将计算的温度场和浓度场与凝固组织演变的控制方程相耦合,模拟了Al-5Pb(质量分数．%)合金的凝固过程．结果表明．在固/液界面前存在一过冷区、弥散相液滴在此区间内形核,这些液滴在移向凝固界面的过程中进行扩散长大,随着凝固速度的提高,形核率升高,弥散相液滴的数量密度增大．平均半径减小。     

急冷条件下Ni-Pb偏晶合金的相分离研究

采用单辊法实现了Ni-Pb偏晶合金的快速凝固,分别制备出直径40～400μm的合金粒子和宽约4mm、厚30～50μm的合金条带.在急冷快速凝固条件下,Ni-8%Pb亚偏晶合金由Ni和富Pb相组成.Ni以枝晶方式生长,富Pb相分布于枝晶间隙.随着冷却速率的增大,凝固组织显著细化,晶体形态经历由粗大枝晶向细小等轴晶的转变.在快速凝固过程中,Ni-60%Pb过偏晶合金的液相分离在很大程度上被抑制,合金粒子和条带均可获得均匀弥散的快速凝固组织.在冷却速率相近的条件下,合金粒子和条带的凝固组织与晶粒尺寸具有相似相近性,冷却速率是决定合金凝固组织的本征物理参量.     

弥散相含量对Al-Pb偏晶合金凝固过程影响的数值分析

采用欧拉-欧拉法建立了Al-Pb偏晶合金难混溶区凝固过程弥散相形核、扩散长大、Ostwald熟化、Marangoni迁移等复杂物理过程的数学模型,并以守恒方程为基础建立了弥散相液滴的密度守恒方程以及两相溶质传输方程。结果表明,Al-5Pb偏晶合金相较于Al-10Pb偏晶合金,其组织内部温度场分布均匀、弥散相平均直径较小。分析认为,弥散相含量的降低促使难混溶区液-液相分离和分解速度降低,较易获得弥散相均匀分布的凝固组织。     

恒定磁场作用下Al-Pb合金的凝固过程

模拟与试验相结合,研究了恒定磁场作用下Al-Pb偏晶合金定向凝固时的组织演变过程.结果表明,恒定磁场能抑制基体熔体对流,显著影响偏晶合金凝固组织演变,有助于弥散型偏晶合金复合材料的获得.     

连续凝固偏金合金薄带凝固组织进化过程模拟

分析了偏晶合金薄带垂直连续凝固过程。发展了描述该条件下偏晶合金凝固组织演变的数学模型。将计算的温度场和浓度场与凝固组织演变的控制方程相耦合，模拟了Al-5Pb(质量分数.%)合金的凝固过程。结果表明，在固／液界面前存在一过冷区，弥散相液滴在此区间内形核。这些液滴在移向凝固界面的过程中进行扩散长大。随着凝固速度的提高。形核率升高。弥散相液滴的数量密度增大，平均半径减小。     

恒定磁场作用下Al-Pb偏晶合金凝固过程研究

以Al-Pb偏晶合金在恒定磁场下的凝固过程为研究对象,实验分析了不同强度恒定磁场、不同定向凝固速度条件下,磁场强度、凝固速度和合金成分对弥散相液滴形核率及平均尺寸的影响,并模拟了凝固组织演变过程,得到了恒定磁场对偏晶合金凝固的影响机理。     

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。     

Al-Bi偏晶点成分合金定向凝固过程研究

对Al-Bi偏晶点成分合金(Al-3.4%Bi,质量分数)开展了逆重力方向的定向凝固实验,考察了凝固速度对合金凝固组织的影响,分析了试样凝固组织形成过程.结果表明:Al-Bi偏晶点成分合金定向凝固时在固-液界面前沿液相内形成溶质Bi富集层,并发生液-液相变,少量相液滴在Marangoni迁移、Stokes沉积和试样自身下拉运动共同作用下进行空间迁移,当凝固速度较快时,凝固界面前沿所有尺寸的少量相液滴均向凝固界面迁移,合金凝固后少量相粒子尺寸呈现单峰分布;当试样凝固速度较慢时,部分少量相液滴在长大过程中其合速度方向按:指向凝固界面-背离凝固界面-再指向凝固界面顺序随液滴尺寸变化,合金凝固后少量相粒子尺寸分布呈现2个峰;当凝固速度较快时,少量相粒子平均尺寸R随凝固速度V_0近似呈R∝V_0~(-1/2)指数关系变化,随着凝固速度的下降,R与V_0间的关系向R∝V_0~(-1/3)指数关系趋近.     

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.     

过偏晶合金Ni-40%Pb深过冷凝固组织

采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法研究过冷Ni-40%Pb(质量分数)过偏晶合金的组织演化规律. 结果发现 过偏晶合金在快速凝固阶段本质上是以枝晶方式生长; 当ΔT《50K时, 合金组织为粗大枝晶+枝晶间Pb相+团块状Pb相; 当100《ΔT《198K时, 合金组织宏观偏析严重; 当ΔT＝292K时, 合金组织呈粒状晶, 第二相均匀弥散分布. 分析表明凝固组织宏观偏析与快速凝固阶段固液相变速率和体系残余液相分数有关; 粒状晶粒化机制属于枝晶碎断再结晶机制.     

Al-17.5In偏晶合金定向凝固规则第二相纤维的失稳判据

对Al-17.5In偏晶合金进行了定向凝固,考察了不同凝固速度对Al-17.5In偏晶合金凝固组织的影响.结果表明,在低速定向凝固时,通过偏晶反应析出的第二相纤维规则地排列在Al基体中.随着凝固速度的增大,第二相纤维逐渐演变成珍珠串状.分析了这种组织转变过程并推导出新的Al-17.5In偏晶合金规则第二相纤维失稳的判据.     

ZA22合金急冷凝固组织的研究

采用极小试样快速液淬方法研究了ZA22合金从不同温度快速冷却所获得的凝固组织的差异。在研究的温度范围内，液淬前液态合金温度越高获得的凝固组织越细密，且ZA22合金凝固组织中富铝相的晶内成分偏民随着液态合金温度的升高而减轻。结合液态合金的微观结构，对造成凝固组织差异的原因进行了初步分析。     

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。     

高温度梯度下Al-In偏晶合金定向凝固组织的演化规律

应用高温度梯度的方法，研究了在定向凝固条件下温度梯度与凝固速率的比值G／R对Al-17．5％In(质量分数)合金凝固组织的影响．结果表明，偏晶合金的定向凝固与共晶合金定向凝固的生长规律类似．在高温度梯度下，仅在很低的生长速度时才能形成二相有序排列的共生．在偏晶合金定向凝固进入稳态生长以后，在各自的相凝固前沿富集了另一相的溶质，由于两相的层间距不大，长大过程中的横向扩散占主导地位．随着生长速度的增大或温度梯度的降低，Al-17．5％In合金定向凝固组织从纤维结构到周期性或规则排列的串状结构再到弥散分布结构转变．这种转变与固一’液界面形状的转变有密切关系．