Al-Bi过偏晶合金凝固过程中富Bi相分布规律研究

在常规重力场条件下,通过极快速液淬冷却的实验方法,分析了Al-Bi过偏晶合金在难混溶区凝固过程中,不同凝固时刻和温度下富Bi相液滴的形核、扩散长大、Marangoni迁移、重力沉降和碰撞凝并等复杂的物理过程,考察了富Bi相液滴平均直径及最大直径等随时间变化的分布规律,揭示了偏晶合金宏观偏析的形成过程与影响因素的作用程度,为制备匀质偏晶合金提供理论参考和实验依据。     

磁场作用下偏晶合金凝固组织演变的数值分析

建立偏晶合金难混溶区凝固过程的两相数学模型,模拟研究了有、无磁场Al-10%Bi过偏晶合金微观组织演变,研究了温度、速度、第二相体积分数等物性参数对凝固组织宏观偏析的影响。结果表明,在磁场作用下温度场为中心对称分布,更有利于第二相液滴的均匀分布;电磁力抵消了部分重力和Marangoni力,使无磁场时外环流的速度场变为有磁场时斜向下的速度场,且速度明显降低,从而减轻了强对流导致的重力偏析;在磁场的作用下,试样底部第二相的体积分数减小,凝固组织宏观偏析得到改善。     

水平稳恒磁场对Al-10%Bi合金中富Bi相分布的影响

在有、无磁场作用下进行Al-10%Bi过偏晶合金的凝固实验,分析了1T水平稳恒磁场对富Bi相分布的影响。结果表明,磁场作用下的合金试样上部的富Bi相粒子密度增加,下部的富Bi相粒子密度较少,且富Bi相粒子尺寸分布范围变窄。水平稳恒磁场在一定程度上阻碍了液滴的碰撞凝并和重力沉降,避免了液滴的局部聚集,提高了液滴沿重力方向的均匀程度,有利于获得富Bi相均匀分布的合金凝固组织。     

Al-Pb合金快速定向凝固的数值模拟

在考虑凝固界面前沿第二相液滴形核、长大以及迁移综合作用的基础上 ,提出了描述偏晶合金在快速定向凝固条件下微观组织形成过程的数学模型 ,并对Al-Pb轴承合金在垂直Bridgeman定向凝固条件下的凝固组织进化过程进行了计算分析 .结果表明 :在大的凝固速度条件下 ,凝固界面前沿存在成分过冷区 ,液 -液相分解在此区域内进行 ;在恒定的温度梯度条件下 ,凝固速度越快 ,第二相液滴的形核速率越大 ,液滴的数量密度越高 ,平均半径越小 ;凝固界面前沿液滴的平均半径 (R)与凝固速度 (v)之间存在如下指数关系 :R(z =0 ) =C2 v-0 .3 9± 0 .0 1     

定向凝固A1-Bi偏晶合金中第二相的粗化行为

为了获得第二相弥散分布的偏晶合金,在定向凝固条件下,对Al-Bi偏晶合金的凝固行为进行了研究,考察了第二相体积分数对凝固组织的影响,并对第二相粒子的粗化因素进行了分析.研究结果表明:用定向凝固方法可以制得具有弥散第二相分布的偏晶系Al-Bi合金;在一定的生长条件下,第二相粒子的半径随体积分数的增大而增大;第二相体积分数以及熔体中存在的Stokes流和Marangoni对流是引起第二相粒子粗化的主要因素.     

Bi含量对Al-Bi偏晶合金显微组织演变的影响

结合数值模拟与实验研究了常规条件下Al-Bi偏晶合金难混溶区的凝固过程,分析了Bi含量对Al-Bi偏晶合金显微组织演变的影响。结果表明,成分为Al-10%Bi合金试样下部组织中富Bi液滴的平均直径和体积分数分别是成分为Al-5%Bi合金试样下部组织中富Bi液滴平均直径和体积分数的1.1倍和12.8倍,且Al-10%Bi合金试样下部聚集了大量的大尺寸富Bi液滴,其显微组织均匀性较差;成分为Al-5%Bi的合金试样中富Bi液滴的平均尺寸较小,显微组织较均匀;偏晶点成分的Al-3.4%Bi偏晶合金显微组织中无大尺寸富Bi液滴生成,显微组织均匀。分析表明,富Bi相含量的增加导致液滴受重力作用增强,加剧了难混溶区液-液相分离和分解的凝固行为,增大了富Bi液滴的尺寸和数量,液滴受到的Ostwald熟化和碰撞凝并的作用增强,促使大量的大尺寸富Bi液滴聚集在试样下部,加重了偏晶合金显微组织的宏观偏析。     

综论偏晶合金的制备技术:外场下凝固、快速凝固及激光技术

当偏晶合金液过冷至液相分离温度(Tsep)以下时,进入亚稳态难混溶区间,由单一液相分离成两个液相:L1(主体液相,质量分数大于50%)与L2(次生液相,收缩成液滴)。微观组织演化呈现三个阶段:(1)相分离自发进行阶段;(2)主体相合金熔体进入结晶过程;(3)残余的次生相合金熔体进入凝固阶段。尤其是当次生相凝固后弥散分布于主体相基体内时,偏晶合金具有高强、高导以及高耐磨性能,其在航空航天和汽车等工业领域具有重要的应用前景,长期以来受到了研究者的广泛关注。偏晶合金组织结构特征有两种,即第二相弥散型和核/壳结构型。然而,常规凝固条件下,制备的偏晶合金极易形成严重偏析或分层组织,导致制备大块匀质偏晶合金变得困难。为了深入研究偏晶合金液相分离行为,以及微结构特征对偏晶合金性能的影响,研究者提出了许多制备偏晶合金的方法。早在1958年,液相分离现象就在Cu-Fe偏晶合金中被发现,当即引起学者们的广泛关注。近年来,为了制备组织均匀和性能优异的偏晶合金,开发了许多外场作用下的偏晶合金制备方法,旨在消除常规重力场下熔体对流造成的凝固组织偏析、位错、空洞等缺陷。例如,在微重力场条件下,对流作用减弱,可制备接近无偏析的凝固组织;在电磁场条件下,实现了对材料工艺过程的控制和材料组织与性能的改善;在直流磁场和电场交互作用下,熔体流动得到抑制,实现了电磁搅拌控制凝固;在交流磁场和电场交互作用下,实现了电磁搅拌和电磁悬浮,达到减小偏析和改善组织结构特征的目的;在超声场作用下,实现了材料无容器凝固。此外,快速凝固是一个典型的非平衡相变过程,可以消除合金的溶质偏析,获得常规凝固条件下无法获得的成分、相结构和显微组织,显著提高合金的强度、塑性、韧性、延展性和磁性等。为深入了解各类偏晶合金的制备方法,本文主要从外场下凝固、快速凝固、激光技术角度综述了偏晶合金的各种凝固制备工艺和研究方法。     

真空环境下乙酸液滴过冷凝固过程传热传质特性

利用真空闪蒸系统对乙酸液滴在真空环境下的过冷凝固过程进行了动态观测,建立了针对单个乙酸液滴在真空环境下过冷凝固过程的传热传质数学模型。模型考虑了液相和固相内的温度分布,引入过冷凝固的动力学条件以及表面升华的传质方程描述凝固界面与升华界面的运动。综合实验测量数据和模型计算结果,掌握了乙酸液滴在环境下过冷凝固过程中的温度变化,比较了乙酸液滴和纯水液滴过冷凝固过程中温度变化的特征,分析了环境压力对液滴温度变化的影响。结果显示:与纯水液滴相比,乙酸液滴具有更高的凝固平衡温度,在实验过程中更早开始凝固。由于乙酸凝固潜热较小,再辉阶段温度上升较为缓慢,凝固时间较短。环境压力越低,凝固过程中液滴过冷度越大,凝固速度越快,液滴最终温度越低。     

微重力条件下单晶合金的凝固生长

单晶合金由于没有晶界缺陷而具有特殊的理化性能,如镍基单晶高温合金是先进航空航天发动机和燃气涡轮发动机关键材料,具有优异的高温使役性能。单晶合金的特色结构决定了它只能通过凝固的方式获得,因而凝固过程对单晶合金的组织结构、成分分布乃至理化性能具有难以磨灭的影响。如以枝晶结构为主要特征的单晶合金中的枝晶结构参数、合金元素的宏观与微观偏析都与凝固过程参数(如凝固速度、温度梯度等)密切相关。研究表明,重力导致的各项效应(如浮力对流、沉降和流体静压等)直接或间接地影响凝固过程参数,并且是导致成分偏析和凝固缺陷的重要原因。但在常规地面条件下由于无法有效去除重力影响,因而难以清晰揭示凝固过程中的重力效应及其作用规律。而在微重力环境中,这一难题将迎刃而解。因此,近些年来国内外一些学者利用空间或模拟微重力环境,对重力对单晶凝固行为的影响及其在缺陷形成中的作用进行了研究。这些研究对于获得良好的单晶凝固组织、避免凝固缺陷的形成,以及提高单晶合金的质量和性能都有着重要的意义。综述了目前国内外微重力下单晶生长研究的相关进展,并对未来研究进行了展望。     

深过冷Cu-Pb偏晶合金的快速凝固行为和凝固组织

用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法,研究了亚偏晶Cu-25%Pb合金,Cu-37.4%Pb偏晶合金和过偏晶Cu-40%Pb(质量分数)合金过冷熔体凝固行为和凝固组织的演化规律,以及Cu-37.4%Pb偏晶合金的过冷度对磨损率的影响.研究表明:在过冷亚偏晶Cu 25%Pb合金熔体凝固过程中先形成α(Cu)初生相,随着过冷度的增大,凝固组织经历粗大枝晶重熔形成的细化枝晶向准球状晶粒演化的过程;在过冷Cu-37.4%Pb偏晶合金熔体凝固过程中初生相为L2相,当过冷度在20～150 K区间时,得到第二相S(Pb)弥散在α(Cu)枝晶间的凝固组织,并且在该过冷区间内随着过冷度的增加,材料的磨损率也逐渐降低;在过冷过偏晶Cu-40%Pb合金熔体凝固过程中初生相为L2相,在过冷度区间42～80 K时,得到以偏晶胞形式分布的凝固组织.