快速凝固条件下Ni–Pb偏晶合金的组织演变机理研究

目的 研究过冷Ni–0.5%Pb(原子数分数)合金过冷组织的演化行为,阐明其组织演化和晶粒细化的基本机制。方法 采用熔融玻璃净化和循环过热方法制备出过冷度为0~255 K的试样,并结合枝晶生长的动力学–热力学模型,研究其深过冷快速凝固行为机制。结果 在0~255 K过冷度范围内,随着过冷度的增大,Ni–Pb偏晶合金的微观组织发生了2类晶粒细化现象,组织形态由粗大树枝晶向粒状等轴晶转变。结论 第1类粒状晶的形成是由于枝晶熟化和再辉重熔导致发达枝晶破碎,第2类粒状晶的形成是由于在应力和应变能的作用下,枝晶碎变和再结晶引起了晶粒细化。     

半固态非枝晶组织合金的制备及形成机理

结合作者的研究方向--固液混合铸造制备非枝晶微晶合金,介绍了半固态非枝晶组织材料制备的发展与现状,分析了其非枝晶组织的形成机理.重点介绍了固液混合铸造技术的工艺及其非枝晶组织的形成机理.     

用相场方法模拟Fe-C合金枝晶生长

采用相场法模拟了Fe-0.5%C合金等温凝固过程中单个枝晶和多个枝晶的生长,研究了过冷度、各向异性、界面厚度、晶体取向以及扰动对枝晶形貌的影响,获得了具有二次分枝的枝晶形貌,再现了枝晶生长过程及枝晶臂之间的竞争生长.模拟结果表明:凝固过程中存在溶质富集和枝晶偏析,枝晶主干溶质浓度最低,枝晶臂之间的液相浓度最高.随着过冷度的增大,枝晶生长加快且分枝发达;界面厚度直接影响枝晶的生长速度;各向异性影响枝晶的形态;晶体取向与坐标轴方向一致时枝晶优先生长;扰动的加入导致枝晶分枝的形成.     

Simulation of dendrite growth of Fe–C alloy using phase field method

采用相场法模拟了Fe--0.5%C合金等温凝固过程中单个枝晶和多个枝晶的生长, 研究了过冷度、各向异性、界面厚度、晶体取向以及扰动对枝晶形貌的影响, 获得了具有二次分枝的枝晶形貌, 再现了枝晶生长过程及枝晶臂之间的竞争生长. 模拟结果表明: 凝固过程中存在溶质富集和枝晶偏析, 枝晶主干溶质浓度最低, 枝晶臂之间的液相浓度最高. 随着过冷度的增大, 枝晶生长加快且分枝发达; 界面厚度直接影响枝晶的生长速度; 各向异性影响枝晶的形态; 晶体取向与坐标轴方向一致时枝晶优先生长;扰动的加入导致枝晶分枝的形成.     

镍基单晶高温合金对接平台内的微观组织及缺陷形成

目的 针对喷嘴导叶和双联导叶等对接结构单晶铸件内容易产生凝固缺陷的问题,研究定向凝固过程中对接平台内枝晶的生长行为、取向演化和凝固缺陷形成机制。方法 在不同抽拉速率下制备具有对接结构的镍基单晶高温合金铸件,采用实验与ProCAST有限元模拟相结合的方法,研究抽拉速率对镍基单晶高温合金对接平台内微观组织的影响,分析平台内凝固缺陷的形成机理。结果 当抽拉速率较低时,平台内枝晶生长规则,基本无凝固缺陷;随着抽拉速率的增大,平台内枝晶出现严重的侧向生长;当抽拉速率达到150 μm/s时,平台中间区域形成了碎断枝晶缺陷。结论 平台内枝晶生长与局部的温度场分布密切相关,而碎断枝晶的形成可能是由平台内部溶质富集引起的。     

定向凝固条件下Al-35%La过共晶合金的组织演变

在常规凝固条件下,Al-35%La过共晶合金可形成周期性双相枝晶组织,这种组织类似于带状组织,即其中枝晶的成分沿生长方向是周期性变化的。为了研究这种组织的形成条件,采用定向凝固技术研究了凝固速度对Al-35%La合金形貌特征的影响。结果表明:在不同凝固速度条件下,Al-35%La合金均形成周期性双相枝晶组织;同时发现:随着凝固速度的提高,初生相Al11La3呈现从周期性双相胞晶→周期性双相枝晶→周期性双相细胞晶的演变规律。在此基础上,讨论了这些组织形态的形成机理。     

晶体取向对镍基单晶高温合金枝状组织的影响

本文研究了一种镍基单晶高温合金不同晶体取向形成的枝晶组织的变化规律，发现枝晶择优生长方向偏离热流方向时，一次枝晶形态发生明显的变化，二次枝晶分枝出现明显的不对称性。     

喷射成形H13钢的微观组织及形成特点

采用常规铸造和喷射成形工艺分别制备了H13钢,应用OM、SEM、XRD等方法研究了铸态、喷射沉积态及过喷粉的组织。采用LMS-30粒度仪对过喷粉进行了粒度分析。结果表明:铸态H13钢为粗大的枝晶组织,合金元素与碳化物偏析严重,而喷射成形H13钢为细小的等轴晶组织,几乎没有碳化物,含有较多的残余奥氏体。过喷粉是枝晶组织,随粉末尺寸的减小,一次枝晶变小,二次枝晶臂已不明显,是欠发达枝晶组织。雾化压力的增加对小颗粒过喷粉的尺寸和数量影响甚微,但会明显减小大颗粒过喷粉末的尺寸,并增加其数量。喷射成形等轴晶的形成机制在气液比偏小时以未破碎枝晶的均质化与碎断枝晶的连接长大为主,而在气液比偏高时以大量破碎枝晶作为异质形核核心为主。     

深过冷Ni—Sn共晶合金的快速凝固机制

本文通过净化法使 Ni-32.5wt-%Sn 共晶合金液获得深过冷,对该合金液在不同过冷条件下的凝固机制和组织进行了研究。结果表明:当过冷度小于约10K 时,该合金液凝固生成 Ni_3Sn相和 Ni(α)相层片共晶。在深过冷条件下,由于 Ni_3Sn 枝晶的自由生长速度远大于 Ni(α)枝晶的自由生长速度,再辉过程中,Ni_3Sn 相和 Ni(α)相不能以匹配方式生长,而由 Ni_3Sn 相作为领先相以枝晶簇方式生长。再辉过程中形成的枝晶簇,其内部 Ni_3Sn 枝晶进一步熔断粗化及 Ni(α)相在Ni_3Sn 枝晶间形成生长,最后形成非规则共晶组织。当过冷度小于130K 时,再辉之后,枝晶簇间存留有较大体积的成分仍为 Ni-32.5wt-%Sn 的合金液,这部分合金液在共晶平台阶段以层片共晶方式凝固,所以试样内部的组织由非规则共晶区和层片共晶区组成。     

高温合金定向凝固过程中枝晶生长与溶质对流数值模拟

目的 针对高温合金叶片在定向凝固过程中容易出现雀斑缺陷,从而导致叶片报废的问题,对定向凝固枝晶生长与溶质对流进行模拟研究,以揭示雀斑缺陷的形成规律。方法 针对CM247LC合金定向凝固过程,采用相场模型模拟凝固过程枝晶生长,采用格子Boltzmann模型模拟溶质浓度差引起的自然对流。采用基于双重网格的GPU并行算法对相场-格子Boltzmann模型进行数值求解。研究在不同晶体取向角度与取向差条件下的枝晶形貌、对流速度及溶质羽流的演变规律。结果 当晶体取向角度不同时,在枝晶生长过程中,液相区域的平均对流速度均表现为周期性变化。当晶体取向角度较大时,随着晶体取向角度的变大,一次枝晶臂间距变大。当枝晶间存在晶体取向差时,溶质羽流倾向于在发散型晶界附近发起;随着晶体取向差的增大,溶质羽流发起时间提前。溶质羽流的形成阻碍了枝晶尖端及附近枝晶侧臂的生长。结论 晶体取向角度对溶质羽流形成的影响较小,较大的晶体取向差对溶质羽流的形成有促进作用。     

添加Sm对不同尺寸Mg-6Zn-0.4Zr镁合金坯料非枝晶组织演变的影响

采用半固态等温热处理法对添加0%、2%(质量分数)稀土SmΦ10mm和Φ20mm的Mg-6Zn-0.4Zr合金坯料非枝晶组织演变进行研究。结果表明,未添加Sm的两种尺寸合金坯料的半固态组织都存在明显的尺寸效应。从试样的边缘到芯部,固相颗粒尺寸由小逐渐变大,圆整度趋于恶化,液相逐渐减少;此外,随着坯料尺寸增大,由边缘到芯部的半固态组织的差异也增大。添加Sm的两种合金坯料经等温热处理后,固相颗粒的尺寸效应基本消除。固相颗粒尺寸整体变得均匀且细小,同时颗粒圆整度趋于完美,适宜触变成形要求。此外,添加2%的Sm使合金的非枝晶组织演变进程加快。     

金属凝固显微组织的计算机模拟

应用计算机数值模拟技术研究金属凝固显微组织的形成规律是材料科学发展的重要前沿领域之一。文章对该领域的最新研究进展作了简要评述；重点介绍了作者发展的一个改进的MCA(modified cellular automaton)模型的特点以及应用该模型在合金凝固组织 数值模拟方面的一些主要工作。     

Formation and Evolution of Non-dendritic Microstructures of Semi-solid Alloys Prepared by Shearing/Cooling Roll Process

The shearing/cooling roll （SCR） process was adopted to prepare semi-solid A2017 alloy. The formation and evolution of non-dendritic microstructures in semi-solid A2017 alloy were studied. It is shown that the microstructures of semi-solid billets transform from coarse dendrites into fine equiaxed grains as the pouring temperature of molten alloy decreases o.r roll-shoe cavity height is reduced. From the inlet to the exit of roll-shoe cavity, microstructure of semi-solid slurry near the shoe surface is in the order of coarse dendrites, degenerated dendrites or equiaxed grains, but fine equiaxed grains are near the roll surface. Microstructural evolution of semi-solid slurry prepared by SCR process is that the molten alloy nucleates and grows into dendrite firstly on the roll and shoe＇s surface. Under the shearing and stirring given by the rotating roll, the dendrites crush off and disperse into the melt. Under the shearing and stirring on semi-solid slurry with high volume fraction of solid, the dendrite arms fracture and form equiaxed grain microstructures.     

金属半固态浆料非枝晶微观组织形成机制与表征

半固态技术自20世纪70年代由麻省理工学院开发以来,因其独特的优势而在全球范围内得到了广泛的研究。非枝晶组织的形成机理是半固态成形技术的基石,它决定了在特定条件下应采用哪些工艺来获得优质的半固态组织,对开发新工艺具有重要的指导作用。经过近半个世纪的发展,半固态浆料制备过程中非枝晶结构的形成机理已经发展出许多不同的观点。由此衍生了丰富的半固态浆料制备技术,大大促进了半固态领域的发展。为了进一步理解凝固过程中球晶的形成机制,对各种非枝晶组织的形成机制进行了梳理,基于制备原理将半固态制浆技术分为搅拌制备技术类和低过热度制备技术类,并对常见的几种技术的原理和应用进行了总结。半固态产品的性能在很大程度上取决于其微观组织结构,但半固态形态复杂,传统的二维表征手段对材料内部空间结构的理解可能存在误差。对半固态浆料的二维微观组织和三维显微组织表征技术进行总结分析,为理解金属半固态浆料的微观结构演变和微观组织与性能之间的关系提供了理论基础。     

TiAl基合金的组织演变

针对TiAl基合金是显微组织控制,综述了TiAl基合金中几种常见的组织演变,着重论述了变形TiAl基合金在热处理过程中的晶粒长大及动力学分析,TiAl基合金在冷却时层状组织的形成和全层状TiAl基合金在高温时的非连续粗化这3种组织演变的研究现状和面临的问题。     

Critical assessment: opportunities in developing semi-solid processing: aluminium,magnesium, and high-temperature alloys

Semi-solid metal processing (SSM) is a modern metal forming technology offering net-shape metal components of complex geometry in a one-step operation. The process relies on the thixotropic behaviour of metals with non-dendritic microstructures in a wide semi-solid temperature range. The beneficial effects are currently exploited in aluminium and magnesium alloys. This alternative manufacturing route to casting and forging has generated high expectations regarding high melting alloys, although no conclusive results have been achieved so far. Current studies focus on a deep understanding of the fundamental basics of alloys in the semi-solid range, e.g. rheology, microstructural evolution, and the consequences of forming, e.g. relations between process parameters, microstructure, and properties. This critical assessment aims at defining the important needs for further development of SSM, and assessing current knowledge.     

A phase-field study of the solidification process coupled with deformation

Non-dendritic microstructures are generally obtained in metals after semi-solid deformation (deformation during solidification); however, dendritic growth is preferred without deformation. The fragmentation of dendrites is recognized as an essential contributing factor to non-dendritic microstructures. However, the underlying mechanism of fragmentation needs to be clarified in depth. It is infamously hard for researchers to carry out a direct observation of this process. Moreover, a comprehensive numerical survey of this process is not trivial. The present research reported a new method to model dendritic growth during semi-solid deformation. The motion and deformation of the solid coupled with liquid flow in the melt were treated as the two-phase flow because plastic materials could be formulated as non-Newtonian fluids. The vector-valued phase-field formulation and the self-constructed Navier–Stokes solver made it possible to simulate the growth, motion, deformation, fragmentation and agglomeration of two dendrites coupled with liquid flow in the melt. Computational results suggest that fragmentation can occur when the grain boundary is wet and penetrated by the melt, giving new supporting evidence to a previously proposed mechanism for the fragmentation of dendrites.

Graphical abstract

     

等温热处理对AZ61稀土镁合金半固态组织的影响

研究了等温热处理对AZ61稀土镁合金半固态组织的影响,结果表明:随着等温热处理温度的升高,铸态合金中的初始枝晶组织演变成了半固态非枝晶组织,经过了粗化、组织分离和球化三个过程。在等温热处理过程中,稀土La的加入阻碍了原子向固相粒子的聚集和固相粒子的合并,抑制了固相粒子的进一步长大,使半固态非枝晶组织更加细小。经过不同保温时间后,不规则的大块状组织开始球化,形成大量的近球形颗粒。但是,随着保温时间的进一步延长,球化的颗粒开始粗化长大且在颗粒内形成了大量的液岛。枝晶组织的球化过程,包括二次枝晶壁消失和Ostwald熟化。     

Effect of solidification conditions on deformation behaviour of semi-solid Sn-Pb alloys

The compressive behaviour of Sn-Pb alloys is studied with materials of conventionally dendritic structure and non-dendritic (rheocast) structure obtained through mechanical stirring during solidification. The alloys are found to deform similarly in the fully solid state but their behaviour becomes very different in the semi-solid range depending on the solidification mode. The holding time in the semi-solid state before compression also affects the mechanical properties: the influence of these two parameters is discussed in terms of the initial structure of the alloy and its evolution. Advantages of using semi-solid materials in metal forming processes are also presented.     

Non-equilibrium effects on solid transition of solidification microstructure of deeply undercooled alloys

Integrated effects of undercooling and solute drag on recrystallisation mechanism of rapid solidification microstructure were investigated in highly undercooled Ni-Cu alloys. The equiaxed grained microstructures were prepared by fluxing method and subsequent quenching. Annealing the microstructures of the as-quenched alloys, substantial recrystallisation growth was observed. Applying solute trapping model of undercooled melt and solute drag model of solid-state transformation, it can be inferred that the microstructural evolution was dominated by nucleation and growth of recrystallisation process which is strongly dependent on the initial undercooling of the alloy melt and the solute drag force of the solid-state transition process.