常压及高压凝固Al-Mg及Al-Mg-Zn合金中Al相的固溶体结构

采用X射线衍射仪、能谱仪和透射电镜分别对Al-9.6%Mg合金、Al-11Mg-4.5Zn合金和Al-17Zn-1.5Mg合金常压及6 GPa高压凝固后Al相的固溶体结构进行研究。结果表明:6GPa高压凝固后,Al-9.6%Mg合金中Mg在Al相中的固溶度显著增大;在Al-11Mg-4.5Zn合金和Al-17Zn-1.5Mg合金中,Mg、Zn溶质在Al相中的固溶度均增大,但Zn比Mg固溶的比例要大得多。在常压凝固条件下,与纯铝相比,3种合金中Al相的晶格常数均增大。与常压凝固相比,高压凝固Al-9.6Mg合金和Al-11Mg-4.5Zn中Al相晶格常数分别增大了1.178%和0.220%;在Al-17Zn-1.5Mg合金中,Al相晶格常数变化很小。此外,在Al-Mg-Zn合金中,原子半径较大的Mg固溶到Al相中,导致其晶格常数增大,原子半径较小的Zn固溶到Al相中,导致其晶格常数减小,且高压凝固后,溶质的原子半径越小,在Al相中固溶的比例越大。     

Al-Si-Mg三元合金的溶质分凝及其对凝固过程的影响

从热力学角度分析了三元合金凝固过程中的溶质分凝行为, 利用耦合热力学计算技术研究了Al-Si-Mg三元合金溶质分凝因数在凝固过程中的变化规律, 获得了其与固相体积分数的定量关系, 进而预测了不同条件下Al-Si-Mg三元合金的凝固过程和相析出规律. 实验发现三元合金中溶质分凝因数在凝固过程变化巨大, 采用二元系中的参数使得对共晶种类和共晶分数的预测均与实验值有较大偏差. 采用耦合热力学计算技术, 获得了分凝因数在凝固过程中的变化规律, 使预测值更好地吻合于实验结果.     

冷却速率对Al-Si-Mg三元合金凝固过程的影响

试验研究了冷却速率对Al-2.06%Si-1.58%Mg三元合金凝固过程的影响.同时通过热力学计算预测了不同冷却条件下Al-2.06%Si-1.58%Mg三元合金的凝固路径和相析出规律.试验及计算结果均表明,改变凝固速率可使Al-2.06%Si-1.58%Mg合金的凝固过程按照不同的路径进行,从而达到控制析出相种类的目的.在低的冷却速率下,相析出规律为:L→L1 Fcc_A1→L1 Fcc_A1 Si→L1 Fcc_A1 Si Mg2Si,而在较高的冷却速率下,相析出规律为:L→L1 Fcc_A1→L1 Fcc_A1 Mg2Si→L1 Fcc_A1 Si Mg2Si.     

热溶质对流对定向凝固Al-Al2Cu过共晶合金组织的影响

采用垂直向下的高梯度定向凝固装置，研究了有热溶质对流的Al-38．5％Cu（质量分数，下同）过共晶合金中定向凝固组织变化。结果表明：热溶质对流造成界面前沿的溶质成分（Cu元素）沿轴向减少。在定向凝固速率为5μm／s，合金溶质成分减少到37％Cu以下时，合金定向凝固组织中，初生θ-Al2Cu相会消失，组织变为全耦合生长的共晶组织。合金凝固的固相分数（fs）≥0．49时，组织变为全耦合生长共晶组织所对应的溶质成分的理论计算结果与实验结果相吻合。     

凝固路径对Al-4.5%Cu合金共晶相体积分数影响的数值模拟研究

通过Al-4.5％Cu合金铸锭显微偏析形成的数值模拟，研究了凝固路径对凝固后铸锭不同位置处共晶相体积分数的影响。在显微偏析模型中考虑了树枝晶粗化、固相溶质逆扩散、枝晶尖端过冷、随温度变化的溶质扩散系数等影响显微偏析形成的动力学因素。数值方法中采用变网格技术跟踪移动界面，通过迭代求解溶质扩散方程和溶质守恒方程计算显微偏析参数。结果表明，不能仅靠局部凝固时间来分析共晶相体积分数的变化，还要考虑凝固路径的影响。     

定向凝固Al-4%Cu合金微观组织和溶质浓度影响因素研究

以Al-4%Cu亚共晶合金为研究对象,研究不同试样尺寸、初始变形量以及晶体取向条件下定向凝固单晶Al-4%Cu合金微观组织、固溶体中溶质浓度变化,以及凝固过程中溶质的分布规律和影响因素。结果表明,随着试样直径增大,Al-4%Cu合金内非平衡共晶相体积分数提高,Cu溶质成分曲线越平缓,α-Al固溶体Cu溶质分布更加均匀,晶内偏析减小,这主要是由于大尺寸试样熔体中自然对流更加充分,促进了溶质在液相中的扩散,减轻了固液界面前沿溶质的富集;施加一定塑性变形后,由于变形导致试样中位错密度增加,位错增殖和运动过程中形成的空位缺陷可以容纳更多溶质原子,因而凝固初期Cu成分曲线升高,α-Al固溶体中溶质浓度增大;对于不同取向的试样,随着晶体取向偏离[001]方向角度增大,微观偏析先降低后增大,而固溶体中溶质浓度先增大后降低。这是由于固/液界面能存在各项异性,溶质原子进入固/液界面的难易程度与晶体取向相关,不同晶面原子的吸附能力不一致,从而导致固液界面前沿溶质富集和固溶体中溶质浓度存在差异。     

枝晶凝固过程溶质再分配的数值模型和快速算法

提出了固熔体合金在技晶凝固过程中的溶质再分配模型，模型由扩散微分方程和溶质守恒方程组成，使用Crank—Nicholson有限差分法和Trapezoid法则离散控制方程，导出了一个计算固相内溶质界面浓度的迭代公式，在TDMA算法基础上，仅用一步迭代，就可以解出凝固过程中的溶质浓度场。用此算法分析了Al-4.5Cu和Al-1．5Cu—3Zn等合金的溶质再分配过程，通过与实验解析解的比较，发现数值模型和算法是严密内洽的。     

基于微观偏析统一模型及Thermo-Calc的三元合金凝固路径耦合计算

将合金凝固微观偏析统一模型推广到三元合金凝同微观偏析的预测,并提出了能够计算三元匀晶与共晶合金凝固路径的数值计算方法.实现了在源代码层次上与热力学计算软件Thermo-Calc及其数据库的耦合,以获取多元合金凝固路径计算所需的凝固热力学数据.通过Fe-40V-40Cr,Al-4.5Cu-1.0Si,Al-10Cu一2.5Mg和Al-1.49Si-0.64Mg(质量分数,%)等多元/多相合金在小同冷速下凝固路径的实例计算,以及与相应的凝固组织定量金相实验结果对比,验证了本文多元/多相凝固模型和算法的正确性.     

冷却速率对Al-4.6Cu-Mn合金凝固组织的影响

以添加不同Mn含量的Al-4.6Cu-Mn合金为对象,利用FE-SEM、VNT Quant Lab-MG专业定量金相分析系统软件研究了不同冷却速率下Al-4.6Cu-Mn合金的二次枝晶间距、非平衡共晶相体积分数以及微观凝固组织形貌特征。结果表明:冷却速率在540～106 K.s-1范围时,随着冷却速率的提高,Al-4.6Cu-Mn合金非平衡共晶相体积分数随之降低,二次枝晶间距减小,非平衡共晶相形态细化;当Mn含量增加时,Al-4.6Cu-Mn合金中非平衡共晶相体积分数随之增大。     

基于Thermo-Calc和微观偏析统一模型对Al-6.32Cu-25.13Mg合金凝固路径的预测

采用微观偏析统一模型并耦合Thermo-Calc研究了Al-6.32Cu-25.13Mg(质量分数,%)合金在不同冷却速率Rf和固相反扩散系数F下的凝固路径.结果表明:冷却速率对合金的凝固路径影响较小,即不同冷却速率下合金的凝固路径均为:(L+a)→(L+a+T)→(L+a+b+T);固相反扩散系数对合金的凝固路径影响较大,当F由0逐渐增大至1时,合金的凝固路径由(L+a)→(L+a+T)→(L+a+b+T)逐渐过渡为(L+a)→(L+a+T);随着Rf的降低,显微组织中初生相体积分数Va基本不变,两相共晶体积分数V2E增大而三相共晶体积分数V_(3E)减少,上述参数满足:V_(2E)=-2.5lg Rf+64.9,V3E=2.5lg Rf+22.12,F的增加使得显微组织中的Va和V2E变大而V3E变小.结合实验研究了Al-6.32Cu-25.13Mg合金在上述不同冷却速率下的凝固路径及各相体积分数,结果显示,实验结果与模拟结果吻合较好.