铋生长方式的转变及其固-液界面能的确定

为了深入研究铋的凝固组织及固液界面能的变化规律,采用熔盐净化结合循环过热的方法,对铋的过冷度及凝固组织特征进行研究,试验结果表明:过冷度不仅影响铋凝固后晶粒的尺寸,而且也影响晶粒的形貌.根据铋凝固后的晶粒形貌,确定出了铋从小平面生长转变为中间方式生长的临界过冷度和中间方式生长转变为连续生长的临界过冷度分别为49 K和95 K.在此基础上,利用临界过冷度转变模型对铋的固-液界面能进行了预测,从两个临界过冷度所计算的固-液界面能值几乎相等.两者的误差在144~544 K范围只有1.44%~2.55%.其预测结果与形核过冷度法所报道的实验结果相吻和,其误差小于1.72%     

熔体过热处理影响合金凝固特性的机制

对熔体过热处理影响合金液形核温度、结晶潜热和结晶相生长特性的机制进行了理论研究.从理论上得到了铝熔体中最大尺寸原子团的原子数与熔体温度、合金结晶潜热和合金中结晶相生长特性因子与合金液性质之间的理论关系式,根据得到的理论关系式可预测熔体过热温度对金属液的形核温度、合金液的结晶潜热及合金中结晶相生长特性因子影响趋势.由文中理论关系预测出Al-Si合金的形核过冷度随熔体过热温度的升高而增大、结晶潜热随熔体过热温度的升高而减小、结晶相生长特性因子随熔体过热温度的升高而减小.     

包晶合金的成分过冷

给出具有包晶反应的合金在定向凝固条件下的成分过冷判据式。用计算机将液-固界面前沿的温度实测值进行处理得到温度梯度G,经Sb-Sn合金定向凝固试验,证明了判据式的正确性。     

非平衡固/液界面的稳定性判据

本文根据固液界面溶质非平衡分配的实验现象[1-5],首次分析了溶质非平衡分配对凝固理论中最简单而又具有特别重要意义的成分过冷理论的影响。提出固液界面偏离平衡的程度可以由界面过冷度△T=△T_k+△T_n来表示,其中△T_k是动力学过冷度,△T_n是溶质非平衡分配造成的附加界面过冷度。三十多年来冶金学界和物理学界广泛接受的一个重要概念,即平界面失去稳定性是界面前液相中存在成分过冷区的结果,本文已指出其错误,并指出凝固驱动力沿界面前进方向增大是平界面形态不稳定性的真正原因。从这个原理出发,完全不需要界面局域平衡假定,导出了与传统的成分过冷理论关于平界面稳定性的判据在形式上完全相同的新判据G/V≥mC_0(k—1)/kD其中仅仅是用实际溶质分配系数k取代了平衡溶质分配系数k_0。这个新判据得到了Al-C_u合金实验[1]的支持。     

三元Co-Cu-Si合金的液相分离与组织特征

在自由落体条件下实现了三元Co45Cu45Si10和Co25Cu25Si50舍金的快速凝固,所获得的最大过冷度分别为357 K(0.22TL)和320 K(0.20TL),测定其液相面温度分别为1 600 K和1 592 K,固相面温度分别为1 358 K和1 105 K.Co45Cu45Si10舍金液相分离临界过冷度仅为8 K.直径大于100μm的合金液滴发生L a-Co→ε-Co的包晶转变,凝固组织由(Cu)、ε-Co和α-Co三相组成,而直径小于100μm时,合金液滴的凝固组织主要由(Cu)和ε-Co两相组成.Co25Cu25Si50合金不存在液相分离临界过冷度,形成由CoSi、CoSi2和Cu3Si 3个金属间化合物相组成的快速凝固组织.尽管Cu3Si的形核率最大,但始终没有形成领先生长相.当过冷度小于127 K时,形成以CoSi2为初生相枝晶的凝固组织;当过冷度大于127 K时,则形成以CoSi为初生相枝晶的凝固组织.     

Ni-Ni3Sn系近共晶合金深过冷形核规律

采用大体积液态金属的微观净化技术，在Ni-Ni3Sn合金系中使Ni-(2.5-17.5)at%Sn和Ni-(17.8-25.0)at%Sn两组合金分别获得了最大达351K和303．5K的“极限”形核过冷度，并使其极限过冷度保持30个循环过热周期不衰减。实验发现，Ni-Ni3Sn系近共晶合金深过冷凝固时，Ni3Sn总是领取先于α（Ni）相形核。根据实验数据和表面异质形成核速率模型，求得Ni3Sn和α（Ni）相异质形核时的异质形核因子f(θ）分别为0．8103和0．12406；求得过冷熔体中Ni3Si和α（Ni）相等形核速率时的温度－成分曲线完全处于共晶点左边，表明在近共晶成分过冷熔体中，金属间化合物Ni3Sn易于α（Ni）形核。     

Al 脱氧弹簧钢钙处理过程中铝酸钙硫化物析出热力学分析

通过钢液与夹杂物间的热力学平衡计算,对Al脱氧弹簧钢钙处理过程中铝酸钙硫化物的析出行为进行热力学分析,探讨[Al]、[Ca]、[S]浓度和钢液温度对Al2O3夹杂物变性行为的影响。结果表明,1600℃钢液温度下,w[Al]＝0．03％时,Al2O3生成为低熔点12CaO ·7Al2O3时的 w[Ca]＞0．0034％,其值随钢液温度降低而减小,随铝含量增大而增大。CaS析出时的临界钙含量随钢液温度降低而显著减小,当w [S ]＜0．005％时,w[Ca]随w[S]变化而显著变化。要使钢中夹杂物控制在低熔点12CaO ·7Al2O3区域,需控制w [S]＜0．0037％,该值随钢液温度的降低或铝含量的增大而减小。     

基于第一性原理的AlP/Mg2Si异质形核界面建模方法

Mg2Si作为第二相在过共晶Al/Mg2Si合金中起到颗粒增强的作用,使该复合材料具有优良的综合性能。但作为初生相的Mg2Si极易生长成枝晶状,严重降低铝合金的性能。通过添加P元素细化变质处理可以有效改善初生Mg2Si的形貌及尺寸,并且通过错配度理论可知AlP可作为初生Mg2Si的形核衬底。但若仅依赖于晶格错配度理论和试验现象,无法揭示细化机理的本质,因此,近些年第一性原理方法逐渐在异质形核细化晶粒机制研究方面得到应用。本文选取错配度为1.10%的AlP(331)/Mg2Si(110)异质形核界面进行建模过程介绍,为后续对异质形核界面的电子结构及界面结合能的计算做准备,并得出用第一性原理研究异质形核界面时构建模型的一般方法。     

熔体过热处理作用机制的新认识

从液-液结构转变的角度探讨了熔体过热处理对CuSn18.7(at.%)和BiPb20.1(at.%)合金凝固组织和凝固行为的作用机制.实验表明:在升温过程中,合金熔体的某些物理性能(例如内耗,电阻率,热电势和热)在特定的温度区间都发生了异常的变化,而在降温过程中没有异常变化,揭示了熔体中在这些温度区间内发生了不连续的液-液结构转变.随后的凝固实验表明结构转变对合金的凝固有着很大的影响,例如形核过冷度显著增大,CuSn18.7合金的凝固组织明显细化,而BiPb20.1合金的初生相形态由鱼骨状树枝晶变成无序的等轴晶.分析认为熔体结构转变使得熔体结构趋于均匀和无序,在凝固中抑制了初生相的形核,进而细化凝固组织.而BiPb20.1合金组织形态的变化则是由熔体结构转变改变了界面溶质分配系数导致的.     

Al－45％Cu合金的熔剂净化与过冷

通过金属熔体过热与氯盐熔剂净化相结合，使Ａｌ－４．５％Ｃｕ合金在金属型锭模中获得了６２℃的形核过冷度．用形核理论对大体积Ａｌ－４．５％Ｃｕ合金极限热力学过冷度进行计算后发现其范围在７４Ｋ到１０７Ｋ之间．     

Phase selection and microstructure evolution within eutectic Ti-Si alloy solidified at containerless state

Phase selection and microstructure evolution of the undercooled eutectic Ti-Si alloy were systematically investigated by the electromagnetic levitation method, and the maximum undercooling achieved was 318 K (0.2T_E). The migration of the liquid-solid interface was in-situ detected by a high-speed camera system. When the undercooling is smaller than 140 K, the liquid-solid interface is smooth. Once the undercooling arrives at 230 K, the liquid-solid interface is irregular, which reflects the growth transition from the solute control to the combined controls of solute and thermal. The eutectic growth velocity increases as an exponential function of undercooling. The electromagnetic stirring effect makes it difficult to increase undercooling, but plays an important role in accelerating the eutectic reaction velocity at low and moderate undercoolings. Primary dendritic β-Ti phase appears in the solidified alloy from 63 to 176 K undercoolings, and the microstructure is completely composed of eutectic once the undercoolings increase up to 230 K. When the undercoolings exceed 273 K, the microstructure consists of uniformly distributed irregular eutectic. For the drop tube experiments, the microstructures composed of a large amount of dendritic α-Ti phase and eutectic phase are found in a wide range of diameters from 69 to 725 µm. As the decrease of diameter, the solubility of Si in the dendritic α-Ti phase dramatically increases from 6.80% to 10.73%, and the ratio of the area occupied by the dendritic α-Ti on a cross-section of solidified alloy obviously increases from 23.52% to 41.02%, which result from the combined effects of high undercooling and large cooling rate.

     

Al2O3／Zn合金复合材料凝固组织的扫描电镜观察

利用扫描电子显微镜（ＳＥＭ）观察了铸造Ａｌ２Ｏ３／Ｚｎ合金复合材料的凝固组织，研究了复合材料凝固组织的一般特征．研究结果表明，复合材料的组织致密，纤维分布均匀，基体晶粒细小；在复合材料的凝固过程中，氧化铝纤维可作为Ｚｎ合金共晶体非自发形核的衬底，纤维／基体界面上的硅在共晶体的共生生长过程中起了领先相作用，导致了复合材料的共晶转变是由铝硅共晶转变和锌铝共晶转变两部分组成．     

Al2O3／ZA12复合材料凝固组织的研究

利用挤压铸造制备了Ａｌ２Ｏ３／ＺＡ１２复合材料,研究了其凝固组织。结果表明,复合材料的基体组织细小,合金元素通过适当的化学反应可改善纤维与基体的结合;在凝固过程中,Ａｌ２Ｏ３纤维可作为ＺＡ１２中共晶体非自发形核的衬底,纤维／基体界面上的硅在共晶体的共生生长过程中起了领先相作用,导致复合材料的共晶转变是由铝硅共晶转变和锌铝共晶转变组成。     

Al_2O_3／Al－Si合金复合材料中硅相形貌观察

利用挤压铸造制备Ａｌ２Ｏ３／Ａｌ－Ｓｉ合金复合材料，在扫描电子显微镜（ＳＥＭ）上观察了复合材料中的硅相形貌．结果表明Ａｌ２Ｏ３纤维与Ｓｉ相之间存在共格界面，可作为硅相非自发形核的衬底；复合材料中的初生硅可在纤维表面形核生长为颗粒状；复合材料中的纤维在Ａｌ－Ｓｉ共晶体的共生生长过程中，可触发孪晶，导致纤维附近的共晶硅里变质形态．     

铝合金表面陶瓷膜层组织与性能研究

利用等离子体增强电化学表面处理技术处理的铝合金表面可获得理想的陶瓷膜层;改变电解溶液及能量密度可获得不同性能的铝合金陶瓷表面．根据陶瓷膜层性能与能量密度的关系研究的结果,确认能量密度在３５０Ｊ／ｄｍ２下陶瓷膜层综合性能较为理想．用等离子体增强电化学表面处理技术获得的陶瓷膜层,可在抗蚀防护、耐磨、装饰装修等方面应用．     

激光熔覆铜基合金涂层中的液相分离行为

为了研究铜基合金激光熔覆中的液相分离行为,根据液相分离理论在ZL104铝合金表面成功制备了具有液相分离特性的铜基合金涂层,并采用扫描电镜等对涂层中液相分离形成的分离相(硬质强化相)的形态特征与分布规律进行了观察,研究了不同分离相的形成机制与液相分离行为.研究表明,涂层中的分离相通常呈弥散分布和偏聚2种典型形态.熔池温度较高时分离相表现出"富Mo核心 包围相"的2层复合结构,呈边缘粗糙的不规则近球状形貌,这是由异质形核诱发的液相分离所形成的;温度稍低时强的表面能约束则是影响液相分离的主要因素,并使分离相呈光滑球状形态.当表面能过高时在对流等因素作用下分离相问会发生严重的碰撞凝并,最终形成大块偏聚体.     

MC型碳化物自粉末镍基合金中析出的热力学驱动力

为了分析粉末镍基合金中MC型碳化物的析出行为,利用Miedema二元合金生成热模型,求出过剩Gibbs自由能和正规溶体中两组元的相互作用参数(I_AB),推导出M(Ni)-C溶体中析出MC型碳化物相变驱动力和形核驱动力的表达式,并进一步估算出粉末镍基合金在583 ℃析出MC型碳化物的相变驱动力和形核驱动力.结果表明,在583 ℃,粉末镍基合金中析出TiC、NbC和WC碳化物的相变驱动力分别为-9.77、-11.23和-13.48 J/mol,形核驱动力分别为-80.69、-59.95和-36.01 J/mol.与析出WC碳化物相比,粉末镍基合金中析出TiC和NbC碳化物时具有较大的形核驱动力,是使其在583 ℃优先析出TiC与NbC碳化物的主要原因.     

Directional solidification and physical properties measurements of the zinc-aluminum eutectic alloy

Zn-5wt％ Al eutectic alloy was directionally solidified with different growth rates (5.32-250.0 tm/s) at a constant temperature gradient of 8.50 K/mm using a Bridgman-type growth apparatus.The values of eutectic spacing were measured from transverse sections of the samples.The dependences of the eutectic spacing and undercooling on growth rate are determined as λ=9.21 V-0.53 and △T=0.0245 V0.53,respectively.The results obtained in this work were compared with the Jackson-Hunt eutectic theory and the similar experimental results in the literature.Microhardness of directionally solidified samples was also measured by using a microhardness test device.The dependency of the microhardness on growth rate is found as Hv=115.64V0.13.Afterwards,the electrical resistivity (r) of the casting alloy changes from 40× 10-9 to 108× 10-9 Ω·m with the temperature rising in the range of 300-630 K.The enthalpy of fusion (△H) and specific heat (Cp) for the Zn-Al eutectic alloy are calculated to be 113.37 J/g and 0.309 J/(g.K),respectively by means of differential scanning calorimetry (DSC) from heating trace during the transformation from liquid to solid.