变速生长条件下Al－Cu合金的定向凝固枝晶组织

应用改进的定向凝固装置研究了Ａｌ－２ｗｔ－％Ｃｕ和Ａｌ－４ｗｔ－％Ｃｕ合金在阶跃和不同加速度线性变速生长条件下，定向凝固组织的动态转变。实验结果表明：尽管定向生长的胞－枝晶动态转变过程随加速度的降低而减缓，但胞晶组织都是在经历了一定的胞晶形貌扰动之后才发生快速失稳、分枝细化并向树枝晶组织过渡，加速度不同，由失稳胞晶演变成的树枝晶可具有多种分枝形式。     

化学成分对定向凝固Al—Cu合金热裂倾向的影响

本文提出了热裂倾向评定的半定量等级标准，并进行了不同成分Ａｌ－Ｃｕ合金定向凝固热裂试验。理论计算与试验结果比较，证实了化学成分对定向凝固合金热裂倾向的影响符合凝固过程的收缩补偿理论，以及柱晶组织对形成晶间搭桥的影响。     

Al—4.5Cu单晶定向凝固一次枝晶间距研究

采用Ａｌ－４．５Ｃｕ单晶进行台阶变速定向凝固实验，考察了金属合金中一次枝晶间距随凝固生长速度变化的动态响应规律，结果表明，对于确定的凝固控制参数，稳态一次枝晶间距选择一个较宽的容许分布范围，同时，平均一次间距的选择也是凝固系统所经历的历史显著地相关，实验结果很好支持了Ｈｕｎｔ－Ｌｕｅ提出了枝晶生长一次间距的下限模型。     

凝固速率对定向凝固合金DZ22枝晶臂间距和枝晶偏析的影响

采用新研制的超高梯度定向凝固装置，研究了不同凝固速率下定向凝固高温合金ＤＺ２２枝晶臂间距和枝晶偏析。结果表明，冷运速率增大，枝晶臂间距显著细化，枝晶偏析被强烈抑制。当冷运速率为５２．４Ｋ．ｓ＾－１时，一次、二次枝晶臂间距λ１和λ２分别为２８．８和８．４μｍ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｗ等元素的偏析比均趋近于１。     

过冷熔体定向凝固过程枝晶生长的相场法模拟

利用二元合金相场模型与溶质场进行耦合计算，以Al-4．5％Cu合金为例模拟了二元合金定向凝固的枝晶生长过程。研究了不同过冷度下二元合金过冷熔体定向凝固时枝晶的演化过程及其溶质场的分布情况。结果表明：利用相场模型可以逼真地模拟枝晶的生长过程，以及界面形貌从平界面向柱状晶生长的转变，可再现枝晶演变过程中相互之间的竞争生长和熔合现象。     

炉膛温度对定向凝固Al—Cu合金热裂的影响

采用半定量等级评定方法，研究了炉膛温度变化对定向凝固Ａｌ－０．６％Ｃｕ和Ａｌ－２．０％Ｃｕ两种合金热裂倾向的影响。定向凝固冷却曲线的测量和热裂形式的凝固分析表明：定向凝固过程中合金的不可补缩长度对热裂纹的形成有重要影响。     

定向凝固含Y镁合金的枝晶形态及微观组织研究

采用液态金属冷却高温度梯度定向凝固炉制备了含稀土元素Y的镁合金,研究了定向凝固镁合金的枝晶形态及微观组织特征。结果表明,镁合金的一次枝晶沿着热流方向生长,且一次枝晶周围含有六个二次枝晶呈花瓣形状。通过扫描电镜及能谱分析发现,凝固组织中除了a(Mg)固溶体及枝晶间的?(Mg17Al12)相组成外,还存在稀土相。稀土相呈粗大的杆状和细小的粒状形态,主要由Y、Mg、Al和Mn元素组成,其中稀土Y的质量分数占22%左右。     

深过冷Cu50Ni50熔体凝固的定向枝晶组织

在高真空度下,采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法,在宽的过冷度范围内,研究了Ｃｕ５０Ｎｉ５０合金凝固组织开头演化过程。结果表明,随着过冷度增大,凝固组织发生了３次转变。其中,当１２０Ｋ（ΔＴ＾＊２）〈ΔＴ〈１９２Ｋ（ΔＴ＾＊３）时,凝固组织发生第２次转变,由粒状晶演变为定向生长的深过冷枝晶。通过组织观察和过冷熔体枝晶生长过程的计算发现,快速凝固形成的枝晶在再辉和再辉结束后枝晶熟化过程被高度抑制     

Cu含量对Al-Cu合金定向凝固组织及一次枝晶间距影响

选用Al-Cu合金进行定向凝固试验,对不同铜含量的Al-Cu合金一次枝晶微观组织形貌进行分析,并测定了一次枝晶间距.实验结果表明:在铜含量较低时,适当增加铜含量能促进枝晶生长的规整性;当含铜量为1.77％时,定向凝固组织并不明显.随着含铜量的增加,可观察到较为细小的一次枝晶组织,一次枝干呈平行生长趋势,且枝干间距较均匀,二次枝晶呈点状分布在一次枝干上.当试样铜含量从1.77％增加到3.00％时,一次枝晶间距逐步增大,但枝晶间距增加幅度较小;当铜含量较小时,试样铜含量对枝晶间距的影响不明显.     

镍基高温合金胞状枝晶界面定向凝固过程中的双晶竞争生长

通过籽晶法控制晶体取向,研究了双晶镍基高温合金AM3胞状枝晶界面定向凝固过程中的双晶竞争生长。结果表明,两籽晶<001>取向的相对位置对晶粒竞争生长有很大的影响。双晶<001>取向在不同平面时,晶粒竞争生长的主要方式是通过物理阻挡,在晶界处处于阻挡优势的晶粒在竞争生长中胜出。对双晶的<001>取向在同一平面时,两籽晶以大角度背离发散生长时,在双晶的发散区容易生成杂晶。     

合金定向凝固一次枝晶间距模拟

建立二元合金树枝晶生长的二维元胞自动机模型,模拟丁二腈2.5%(质量分数)乙醇定向凝固枝晶生长和一次枝晶间距选择过程。模拟结果表明:在给定的凝固条件下,定向凝固一次枝晶间距可在一个范围内变化,其具体取值与凝固历史具有相关性。在相同的温度梯度和不同冷却速度下,模拟给出的一次枝晶间距上、下限与实验结果吻合较好,详细分析影响定向凝固一次枝晶间距上下限的因素。结果表明:在给定凝固条件和合金系条件下,液相中无对流,影响一次枝晶间距上下限的主要因素是界面能和溶质扩散系数。     

定向凝固一次枝晶间距的历史相关性

采用透明模型合金丁二腈－１．０ｗｔ－％丙酮进行定向凝固实验，考察了一次枝晶间距随凝固控制参数变化的动态响应规律，发现一镒枝晶间距选择一个较宽的分布范围，而平均一欠间距具有明显的历史相关性，将实验与主要理论模型进行了比较。     

定向凝固Sn-36%Ni包晶合金凝固组织特征长度的表征

通过对Sn?36%Ni包晶合金在恒定温度梯度(G=20 K/mm)下进行的一定速度范围内(v=2~200μm/s)的定向凝固实验，研究凝固组织特征尺度随生长速度v的变化；测量包括一次与高次枝晶间距及枝晶尖端半径在内的凝固组织特征尺度。通过实验结果与理论模型的对比，发现凝固组织特征尺度随生长速度的变化关系为：对于一次枝晶间距有λ1=335.882v?0.21,且与 Kurz?Fisher 模型吻合；对于二次枝晶间距有λ2=44.957v?0.277,且与 Bouchard?Kirkaldy模型吻合；对于三次枝晶间距有λ3=40.512v?0.274；对于枝晶尖端半径有R=22.7v?0.36。实验结果表明，λ1/λ2随着生长速度的增加而增加，λ1/λ3的变化明显较λ1/λ2的小，表明三次枝晶具有与一次枝晶类似的生长特征；而λ1/R的比值随着生长速度的增加而由2增加到2.3，变化很小。     

Al—0.53Zn合金近快速定向凝固条件下的胞晶间距选择

利用Ｂｒｉｄｇｍａｎ装置考察了Ａｌ－０．５３Ｚｎ单相合金在近快速定向凝固条件下的胞晶间距选择规律。结果表明：在给定的温度梯度下,随着生长速度的增大,定向凝固组织均为胞状晶、胞晶间距λ的分布存在一个较宽范围,其最大,最小及平均间距随生长速度ｖ变化的实验规律可为：λｍａｘ＝９４８．５１ｖ＾－０．４９６１,λｍｉｎ＝６６１．１６ｖ＾－０．５０１５,λ＾－＝４１２．４１ｖ＾－０．５０４９。ＫＧＴ理论模型较     

电流对A1-4．5％Cu合金定向凝固枝晶间距的影响

对A1-4．5％Cu合金凝固的一次枝晶间距计算公式进行了讨论，并结合定向凝固条件，研究各种条件参数对计算结果的具体影响。结果表明：只有当电流在一定的范围（即J＞J1）取值时，一次枝晶间距才随着电流的增大而减小，否则随电流的增加而增大．此外，如果计算中考虑Thomson效应，电流对枝晶间距的影响规律并没有改变，只是相应电流的取值范围变窄了（即J1减小）。     

Al-Cu合金定向凝固枝晶尖端开裂及间距调整机制

采用定向凝固技术研究A1-4%Cu(质量分数)合金凝固界而形态和胞/枝晶间距调整.结果表明,在ν=30um/s低速时,枝晶通过竞争淘汰调整一次枝品间距;在ν=300um/s高速时,枝晶通过尖端开裂而不是以往的三次枝生长调整间距.尖端半径与枝品间距相互影响,在稳定枝晶间距范围内随枝晶间距的增加而增大.采用LMK理论进行分析,得到枝晶尖端开裂是尖端溶质浓度变化引起尖端半径发生变化.通过扩散模型建立了枝晶问距与凝固界面成分之间的关系,得出枝晶通过自动调节间距大小来降低成分过冷作用.     

Al—Cu—Co—Ge十边形准晶单晶的定向生长

利用控制凝固过程的定向凝固技术生长出了直径０．８长１０ｍｍ的Ａｌ－Ｃｕ－Ｃｅ十边形准晶单晶。在准晶生长过程中，所有准晶单晶形成了单一取向的择优生长结构，其棱柱的中心轴为十次旋转对称轴。在温度梯度为９５℃／ｃｍ的条件下，随着定向凝固速度的增大，生长界面出现的成分过冷越来越大，从而导致生长界面的扰动也逐渐加剧并使成分偏析，界面形态由平面向胞状和树枝状转化，出现大量非准晶相，最后无法生长出所需要的高质量     

镍基双晶高温合金定向凝固过程中的竞争生长

研究了镍基双晶高温合金定向凝固过程中的竞争生长.实验结果表明：当原始籽晶一次枝晶方向均平行于热流方向且二次枝晶取向不同时,定向凝固过程中双晶共存,但双晶的界面存在波动,抽拉速率对其影响不大.当原始籽晶一次枝晶([001])异面并保持其中一组二次枝晶取向([010]相同时,双晶竞争生长过程是一个三维竞争生长过程.晶粒竞争...     

薄板试样定向凝固枝晶竞争生长

深入理解高温合金定向凝固杂晶演化具有重要的科学和工程意义,其中枝晶竞争生长是揭示晶界演化与淘汰的关键环节。定向凝固双晶竞争生长的实验研究证实了传统尖端过冷度理论的局限性,定量相场模拟的研究获得了大量统计规律,促进了人们对定向凝固双晶竞争生长的理解。本研究在薄板状试样的定向凝固过程中,同时获得了大量的不同取向竞争生长的枝晶,通过拼接金相显微组织同时获得多个晶界的取向演化规律。结果表明,枝晶列竞争生长主要通过晶界两侧不同取向一次枝晶臂及二次枝晶臂的交互作用实现。在汇聚生长过程中,择优枝晶一次臂阻挡非择优枝晶,并且择优枝晶自身无法形成三次臂,导致晶界方向沿择优枝晶生长方向。发散生长过程中,处于温度梯度方向一侧时,两列枝晶的竞争生长方式以非择优枝晶新生三次臂为主,晶界以沿择优枝晶方向生长为主;当两列枝晶处于温度梯度不同侧时,两列枝晶均有三次臂新生的概率,其晶界在两列枝晶取向之间。实验统计结果给出了晶界随两列竞争生长枝晶的取向的变化规律,与定量相场模拟结果吻合。商业软件ProCAST的CAFE计算晶粒定向竞争生长晶界演化统计结果与实验结果存在较大偏差,其主要原因是CAFE仅给出晶粒尺度的轮廓信息,未考虑溶质扩散及二次臂的竞争。本研究获得的薄板状试样枝晶竞争生长的统计规律,对认识高温合金定向凝固过程中晶界取向的演化具有重要的意义,对柱状晶叶片的制备具有指导意义。     

Zn—2.75%Cu合金定向凝固组织及对流的影响

研究了Zn-2.75%Cu合金在传统Bridgeman法和ACRT－B法下定向凝固组织的差别。着重讨论了生长速度和液相强制对流对Zn-Cu包晶定向凝固组织的影响。实验发现,在Bridgeman法定向凝固过程中,生长速度的增加使得液相中的温度梯度减小,一次枝晶间距减小,一次枝晶间距与生长速度和温度梯度的关系式为：λ1=0.6064R^-0.25GL^-0.5。强制对流使得一次枝晶发生分叉和偏转。并且随着对流强度的加大,一次枝晶间距降低,二次枝晶的生长被抑制。包晶反应的存在,使得枝晶的尖端和二次枝晶熔解,造成了固相中枝晶和初生枝晶的差别。