纵向强静磁场对定向凝固DZ417G合金枝晶形态和数目的影响

纵向强静磁场可明显影响高温合金DZ417G的定向凝固组织.为控制定向组织树枝晶数目提供了一种新手段.在抽拉速率为5μm/s时,强磁场影响了该合金组织的定向凝固生长特性,影响程度随磁场强度的加大而增加.当抽拉速率达到40μm/s及其以上时,施加强磁场使得单位面积上的枝晶数目增加,枝晶数目随磁场强度的增大而增大,增大幅度最大达到一倍左右.当温度梯度增大时,强磁场在低抽拉速率(5μm/s)下影响该合金定向凝固的效应加剧,在抽拉速率40μm/s及其以上时增加枝晶数目的效应也加大.从磁抑制对流和热电磁效应方面分析了上述现象,提出了作用机理.     

Nd-Fe-B包晶合金高梯度定向凝固试验研究

在定向凝固试验中,采用全熔和区熔两种加热方式分别获得了180 K/cm和250～360 k/cm的温度梯度,在5～500μm/s的抽拉速率范围内对过包晶Nd13.5Fe79.75 B6.75合金进行了定向凝固试验,考察了温度梯度和抽拉速率对此合金凝固组织及相含量的影响.结果表明,合金的凝固组织包含初生a-Fe枝晶、包晶Nd2Fe14B相及少量的富Nd相.随着抽拉速率的增加,包晶相含量先增加后减少;而在同一抽拉速率下,提高温度梯度可增加铁磁性Nd2Fe14B相的含量.当抽拉速率为50 μm/s时,区熔试样中(G=300 K/cm)Nd2Fe14B相的含量可达约90%,而相同速率下全熔试样(G=180 K/cm)中其含量约为60%.     

纵向磁场对不同尺寸定向凝固高温合金DZ417G组织的影响

进行了外加纵向静磁场下高温合金DZ417G的定向凝固实验,考察了纵向磁场对不同尺寸试样凝固组织形貌的影响.结果显示,在温度悌度为70℃/cm,抽拉速率为5μm/s时,施加磁场后一次枝晶间距减小,并在试样边缘出现等轴晶组织;随着试样尺寸的增大,在试样边缘和中心的柱状枝晶组织遭到破坏,形成等轴晶组织,且出现"斑状"偏析.这些现象可归结为磁场在固/液界面前沿合金熔体中诱发的热电磁对流(TEMC)所致.     

静磁场对新型Co-Al-W基高温合金定向凝固组织的影响

以新型Co-Al-W基高温合金为基础,进行了外加静磁场下定向凝固实验,考察了不同磁场强度对凝固组织形貌和偏析的影响。结果显示:在抽拉速率为5μm/s时,施加纵向强磁场,诱发熔体流动,造成界面失稳,形成"斑状"偏析和游离碎晶;磁场不变(2 T),进一步增加抽拉速率时,边部的游离碎晶和"斑状"偏析组织减少,凝固界面变得平直;施加横向磁场时,诱发更强的界面前沿流动,偏析加剧,碎晶增多;增加偏析合金元素Ta时,偏析进一步加剧,造成过冷形核,诱发柱状晶向等轴晶转变(CET)。磁场下热电磁对流形成偏析,是造成CET的根本原因。     

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。     

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.     

抽拉速率对定向凝固叶片状DZ125高温合金微观组织的影响

应用液态金属冷却(LMC)和高速凝固(HRS)定向凝固技术,对DZ125高温合金叶片状铸件在不同抽拉速率下的组织演变规律进行了研究,并对比研究了LMC和HRS法所得铸件的微观组织.结果表明,同一定向凝固方法下,随抽拉速率的提高,铸件枝晶组织及γ′析出相得到细化;应用LMC技术所制备铸件的枝晶组织和γ′析出相较相同抽拉速率HRS方法时更为细小;相同工艺参数下LMC和HRS方法所制备铸件一次枝晶间距的差异随铸件壁厚及抽拉速率的增大而更显著.通过对固/液界面前沿温度梯度进行估算发现,LMC方法可获得更高的温度梯度,且其温度梯度受抽拉速率变化影响较HRS更小.除70μm/s抽拉速率外,LMC法所得γ+γ′共晶组织的含量均显著少于HRS方法;70μm/s抽拉速率时,LMC法产生的偏析较严重,而其余凝固条件下偏析程度较相同工艺参数下HRS轻.110μm/s抽拉速率时,HRS方法较LMC方法制备铸件中MC型碳化物尺寸更大.     

纵向磁场对Co-8.8Al-9.8W-2Ta钴基高温合金定向凝固组织的影响

对Co-8.8Al-9.8W-2Ta钴基高温合金进行了外加纵向静磁场中定向凝固试验。考察了磁场强度对Co-8.8Al-9.8W-2Ta合金凝固组织一次枝晶间距的影响。结果显示,在合金熔体固-液界面前沿的温度梯度为50 K/cm时,在磁场中定向凝固的Co-8.8Al-9.8W-2Ta合金的一次枝晶间距先增大再减小。这种现象是由于在合金溶体固-液界面前沿由磁场诱发的热电磁对流(TEMC)所致。     

抽拉速度对高温合金DZ125定向凝固中缩松的影响

研究了不同抽拉速度下镍基高温合金DZ125定向凝固试样中显微缩松的分布、变化规律.结果表明,在一定抽拉速度范围内(≤100μm/s),随抽拉速度增加,定向凝固试样中缩松水平降低.v=50μm/s时试样中缩松水平约为v=5μm/s时缩松水平的10%,v=100μm/s时试样中的缩松水平约为v=50μm/s时缩松水平的70%～90%.随抽拉速度增大,一次枝晶间距和二次枝晶间距减小,枝晶发生细化,抽拉速度对缩松水平的影响主要由枝晶间距的变化引起.     

纵向磁场作用下DZ417G高温合金的枝晶生长行为

研究纵向磁场对高温合金DZ417G定向凝固显微组织的影响。结果表明:在较低生长速率下,磁场能显著影响高温合金柱状枝晶的生长;低磁场(0.1T)能使枝晶生长规则化,生长方向逐渐统一并平行于磁场方向,一次枝晶臂间距减小;高磁场(2T)破坏枝晶生长,枝晶发生断裂,逐渐出现一些云状组织;随着生长速率的增大,磁场的影响逐渐减弱。并从磁场诱发热电磁对流和熔体流动影响枝晶生长的角度对实验结果进行分析。     

Mg-14.61Gd合金的定向凝固组织及生长取向

采用电子背散射衍射(EBSD)和元胞自动机有限元(CAFE)方法研究了Mg-14.61Gd合金在温度梯度G=30 K/mm和抽拉速率v=10～200μm/s条件下的定向凝固组织和生长取向。研究发现,Mg-14.61Gd合金纵向凝固组织呈单一方向的α-Mg枝晶生长形貌,随着v的增加,枝晶界面生长方式由凸前生长向平齐生长转变,枝晶间距减小。当v从10μm/s增至100μm/s时,α-Mg枝晶的生长取向由1120和1010转变为1120,其与凝固热流的偏离角(θ)由11.0°减小至5.7°,热流是影响生长取向的主导因素;当v从100μm/s增至200μm/s时,α-Mg枝晶的生长取向仍为1120,但θ却逐渐增大至10.6°,此时,晶体的各向异性占主导。研究表明,CAFE模型可以合理预测定向凝固镁合金的晶粒组织和生长取向。     

液态金属冷却法制备DD403合金过程温度场和晶粒组织的数值模拟

采用ProCAST和CAFE模型模拟了镍基单晶高温合金DD403定向凝固过程中的温度场及晶粒组织。研究了抽拉速率对变截面单晶铸件杂晶形成和铸件板身固液界面形状和位置的影响规律,得到了单晶铸件不出现杂晶的最大抽拉速率——临界抽拉速率(V c)。结果表明,当采用150μm/s的抽拉速率时,对于液态金属冷却(LMC)技术,铸件平台的凝固顺序是从中心到两边,杂晶形成倾向较小;而在高速凝固(HRS)条件下,铸件平台的边缘首先冷却,平台边缘容易出现大的过冷而产生杂晶。在本实验条件下,采用HRS技术,临界抽拉速率不得高于125μm/s;采用LMC技术,最大抽拉速率不宜超过150μm/s,否则可能会在螺旋段或平台处形成杂晶。当抽拉速率为150μm/s时,采用LMC法获得的板身部位的轴向温度梯度(G a)是HRS法的2倍多;一次枝晶臂间距(PDAS)减小了1/3~1/2,且沿铸件轴向的轴向温度梯度和一次枝晶臂间距均较HRS均匀。当抽拉速率在50~200μm/s范围内增大时,采用LMC技术,铸件板身的固液界面始终保持平直且逐渐下移至隔热挡板中部;而HRS条件下,固液界面逐渐下凹并下移至挡板下方。     

行波磁场对定向凝固Pb-Sn合金枝晶生长的影响

在1g的重力加速度条件下,研究熔体对流对向上生长的定向凝固Pb-33%Sn合金枝晶生长行为的影响。熔体对流由行波磁场进行调制。当行波磁场方向由向上转变为向下时,一次枝晶间距逐渐增大,一次枝晶间距的分布更加紧凑,且峰值趋于降低。分析表明：行波磁场对熔体对流的调制作用与改变重力加速度的效果类似,当抽拉速率为50μm/s,行波磁场强度为1mT时,在向上和向下的行波磁场作用下有效重力加速度分别为3.07g和0.22g。     

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。     

抽拉速率对定向凝固Al-4％Cu合金枝晶界面特征的影响

采用Al-4%Cu合金,对不同抽拉速率下定向凝固枝晶界面特征进行了研究.结果表明,当抽拉速率从100 μm/s增至600μm/s时,一次枝晶间距随抽拉速率的增大而减小.在枝晶固/液界面存在枝晶干的凸起,其平-凸-平-凸的程度随抽拉速率的增加呈现先加强后减弱最后几乎消失的规律.随着抽拉速率的增大,枝晶尖端温度先升高而后降低.采用KGT模型和非平衡效应研究了枝晶界面温度,分析了尖端过冷度和尖端成分对枝晶界面特征的影响,得到非平衡凝固枝晶尖端过冷度的计算方程.界面平-凸-平-凸的程度与枝晶尖端成分和尖端过冷度有关.     

定向凝固法控制M2高速钢中共晶碳化物形貌演变行为

采用真空布里奇曼定向凝固技术,通过控制凝固过程中的抽拉速度,制备了不同冷却速率下凝固的M2高速钢,研究了M2高速钢凝固过程中共晶组织形貌的演变及演变机制。结果表明:根据试样的抽拉速度与温度梯度之间的关系,能够实现定向凝固过程中冷却速度的精确控制,且抽拉速度与冷却速度成正比。增大抽拉速度可促进共晶碳化物由层片状向短棒状转变。当抽拉速度低于500μm/s时,共晶碳化物形貌为粗大层片状;当抽拉速度远高于500μm/s时,共晶碳化物形貌为短棒状;当抽拉速度为500μm/s时,共晶碳化物形貌为两者的混合。两种不同形貌的共晶碳化物都是M_2C型碳化物。增大抽拉速度能够促进共晶碳化物的析出,同时共晶碳化物中合金元素含量降低。当抽拉速度从20μm/s增加到10 000μm/s时,马氏体(110)晶面间距从2.060 7■减小至2.055 3■。     

金属近快速定向凝固过程的数值模拟

从非稳态传热角度并按照柱坐标系中二维传热方式对Bridgman装置中Al柱状试样近快速定向凝固过程进行了数值模拟,分析了试样在近快速定向凝固过程中液固界面前沿的温度梯度和生长速度随试样抽拉速度的变化规律.计算结果表明:在30～3 000 μm/s的抽拉速度范围,随着抽拉速度的提高,液固界面前沿的温度梯度在(145士l0)K/cm范围变化,生长速度与抽拉速度的差别不超过5%.研究结果为实验研究近快速定向凝固组织形态转变提供了可靠的控制参数依据.     

纵向强磁场对定向凝固Al-4.5%Cu合金显微组织的影响

强磁场可明显影响Al—4．5％Cu（质量分数）合金定向凝固组织．在温度梯度GT=38K／cm,生长速率较低（R=5μm／s）时,10T强磁场使液-固界面处的树枝晶变得不规则,低于共晶温度以下的固相区定向枝晶组织消失,组织细化;在生长速率R=50μm／s时,10T强磁场使得枝晶沿与凝固方向成一定角度定向排列,X射线衍射表明（111）方向转向磁场方向;在生长速率较高（R=100μm／s）的情况下,10T强磁场使得枝晶粗化,一次枝晶间距增大．从热电磁流体理论和磁晶的各向异性角度分析了上述现象．     

抽拉速率跃迁对定向凝固单晶高温合金DD3一次枝晶间距和微观偏析的影响

采用液态金属冷却高温度梯度定向凝固设备.研究了抽拉速率跃迁对单晶高温合金DD3一次枝晶间距和微观偏析的影响.结果表明,单晶高温合金枝晶一次间距表现出明显的历史相关性.当抽拉速率(或生长速率)分别从600和300μm/s跃迁到100μm/s和直接以100μm/s速率生长时,一次间距分别为56.5,86和111.5μm.而生长速率分别从50和100μm/s跃迁到300μm/s和直接以300μm/s速率生长获得的一次间距分别为109,93和70μm.一次间距值与Hunt-Lu模型预测的基本吻合,但实验结果证明其上限与下限的比值λ_1~(max)/λ_1~(min)>2,与Ma Sahm的预测结果一致.成分分析表明,相同稳态条件下枝晶的一次间距变小.偏析也有所降低.     

试样截面尺寸变化对高温合金DZ125定向凝固组织的影响

采用截面变化的DZ125高温合金试样进行液态金属冷却定向凝固,抽拉速率为25μm／s、50μm／s、100μm／s和500μm／s,获得了截面变化前后的稳定组织以及截面变化区的组织演变。结果表明,当凝固顺序由大截面向小截面时。一次枝晶间距变窄,抽拉速为500μm／s,枝晶生长方向发生偏转。随着试样比表面积的增大,一次枝晶间距减小。由于截面的变化,组织的演化是一个渐变的过程,不同的冷却速率和凝固顺序都影响着组织的演化过程。