金属熔体中的液-液结构转变现象及其对凝固的影响（英文）

液态合金结构和性质的研究一直是凝聚态物理和金属材料科学领域的重要研究方向之一。液态合金并非理想的均质液体,在温度和压力等作用下会发生不连续转变。液-液结构转变广泛存在于金属和合金中,并且对最终凝固组织和性能有着很大的影响。系统阐释金属熔体中液-液结构转变现象,总结液-液结构转变对最终凝固组织和宏观性能的影响等方面的主要研究进展。结果表明,利用熔体液-液结构转变可以有效调控金属及合金的组织,改善其宏观性能。     

定向凝固铁磁形状记忆合金Ni2MnGa的固-液界面形态

采用超高温度梯度真空区熔法定向凝固制备了Ni2MnGa晶体,改变晶体生长速度、温度梯度和熔区长度,获得了平直的固-液生长界面,制备出Ni2MnGa单晶．用光学显微镜观察了Ni50Mn29Ga21晶粒的竞争生长过程,制备的定向凝固试样无宏观成分偏析．X射线衍射分析仅显示四方结构马氏体Ni2MnGa400峰和004峰,晶体生长轴向择优取向为立方奥氏体(100)方向．采用差式扫描量热分析(DSC)和热重法(TG)分别测定试样中不同部位的相转变温度和Curie温度．在稳定生长区,沿轴向马氏体相变温度在10℃左右变化,而Curie温度几乎没有变化．这进一步表明采用该方法制备的Ni2MnGa晶体沿轴向成分均匀,且马氏体相变温度一致。     

旋转叶片法快速凝固过程受打击金属熔体的铺展动力学分析

本文根据能量守恒原理推导了旋转叶片法（ＲＢＱ）快速凝固金属箔片厚度计算公式，并用计算机对快速凝固金属箔片的形成和影响因素进行了动力学分析。结果表明：金属液的粘度和过热度、金属液射流束的直径和速度、旋转叶片的转速和打击半径等，对快速凝固箔片的厚度有显著影响。计算结果与试验结果有较好的一致性。     

旋转叶片法快速凝固过程受打击金属熔体的铺层动力学分析

本文根据能量守恒原理推导了旋转叶片法快速凝固金属箔片厚度计算公式，并用计算机对快速凝固金属箔片的形成和影响因素进行了动力学分析，结果表明：金属液的粘度和过热度，金属液射流束的直径和速度，旋转叶片的转速和打击半径等，对快速凝固箔片的厚度有显著影响，计算结果与试验结果有较好的一致性。     

固-气共晶定向凝固法测定氢在金属熔体中的扩散系数

基于固-气共晶定向凝固技术和单相合金的定向凝固原理,提出一种测定氢在金属熔体中扩散系数的方法。以Cu-H2系为例,研究氩气分压和熔体过热度对氢在金属熔体中熔点处扩散系数的影响。结果显示,不同工艺参数条件下所获得的扩散系数差别很小,且采用该方法获得的氢在金属Cu熔体中温度相关的扩散系数方程与文献中采用实验方法获得的结果吻合得较好,并验证了该方法的可行性。除Cu-H2系外,还计算了氢在金属Mg、Si以及Cu-34.6%Mn合金熔点温度熔体中的扩散系数值以及温度相关的扩散系数方程。     

传热过程对多晶硅真空定向凝固过程的凝固界面及热应力的影响

以实验室10 t/a VODS型多晶炉为原型,对其凝固过程的热场、固液界面和热应力进行了瞬态模拟与实验验证。结果表明:在坩埚底部有水冷热交换块的真空定向凝固系统中硅料凝固会产生较大的热应力,增加环形保温结构使热区封闭后可改变炉内换热过程,从而改变硅料凝固情况;硅料在坩埚底部为石墨热交换块的系统中凝固时产生的热应力相对较小,但固液界面的形状会发生较大的改变,影响晶粒的生长。炉膛内径适当变宽有利于炉内热区温度分布更合理,使得硅料凝固时的固液界面更加理想。通过实验验证了多晶硅在坩埚底部无需进行水冷换热情况下进行真空定向凝固能达到冶金法生产太阳能级多晶硅的要求,这为提高冶金法制备太阳能级多晶硅质量、降低系统能耗具有一定的指导意义。     

丁二腈固/液界面能的测量

固/液界面能对于微观组织的稳定性及相变动力学都起着关键的作用,其数值的准确测量对凝固物理研究有重要意义。本文针对一种在凝固研究中被广泛使用的类金属透明模型合金--丁二腈（SCN）,利用温度梯度平台实验获得了不同温度梯度下高纯丁二腈（纯度〉99.99%）的晶界凹槽形态,通过测量其凹槽深度计算得到该物质的固/液界面能γ为9.245±0.782×10^-3J·cm^-2。     

异种金属Mg-Al液固扩散焊工艺及其界面组织与性能

采用锌酸盐工艺对固态铝合金进行表面处理,除去氧化膜的同时在铝表面沉积一层锌层,有效地改善了Mg-Al之间的润湿性。在优化Mg-Al液固复合工艺的基础上,获得了界面结合良好的Mg-Al双金属复合材料。对界面组织和性能的研究表明,去除氧化层并防止其再生是改善Mg-Al双金属润湿性的关键因素。双金属界面处发生了成分扩散,形成了冶金结合。     

基于临界晶胚法的Ni固液界面能分子动力学计算

使用分子动力学法,研究不同半径的Ni晶胚在其液相中的生长及熔化行为。研究发现,一定半径的晶胚存在临界形核温度,高于这个温度,晶胚生长;低于这个温度,晶胚熔化,并且临界形核温度与晶胚半径的倒数成线性关系,这和经典形核理论以及Gibbs-Thomson模型的描述一致。基于临界晶胚演化的分子动力学模拟方法得到了金属Ni的Gibbs-Thomson系数为1.56×10-7K·m,并获得了Ni的固液界面能为0.211J/m2,结果与实验测量值一致。     

凝固速率对Nb-Ti-Si基合金整体定向凝固组织及固/液界面形态的影响

在2050℃的熔体温度下,在自行研制的定向凝固炉内实现了Nb-Ti-Si-Cr-Hf-Al-B-Y超高温合金的有坩埚整体定向凝固.采用XRD,SEM,EDS等方法分析了凝固速率分别为2.5,5,10,20,50和100μm/s时的整体定向凝固组织、组成相的择优取向及固/液界面形貌,并讨论了其共晶生长机制.结果表明:合金的定向凝固组织主要由沿着试棒轴向排列的横截面为多边形的柱状初生(Nb,X)_5Si_3(X=Ti,Hf,Cr)相与耦合生长的层片状Nbss/(Nb,X)_5Si_3共晶团(Nbss表示铌基固溶体)组成.横截面上共晶胞界明显.当凝固速率由2.5μm/s变化到100μm/s时,定向凝固组织细化,固/液界面经历粗胞状→细胞状→胞枝的演化过程.Nbss/(Nb,X)_5Si_3共晶两相较低的熔化熵及其前沿较大的动力学过冷度是形成规则共晶的主要原因.     

固液界面形态对传热过程的影响

分别用20钢和2036铝合金作为固相材料,用Al-13Si铝合金作为液相材料,探讨了在加热过程中,不同形态的固液界面对传热过程的影响。结果表明,在液相合金的固相层形成之前,固液界面的传热效果主要取决于固相材料传热特性;固液界面的接触情况对界面传热的效果产生较大的影响;在液相合金的固相层形成之后,固液界面的传热效果主要取决于液相合金固相层的生长过程所释放出来的结晶潜热;当固相合金发生界面熔化时,界面的熔化速度及结晶潜热将对固相的温度产生影响。     

固液界面反应润湿动力学的表征与计算

目的 获得在反应润湿过程中固液界面能与时间变化的关系,掌握反应润湿动力学的核心问题。 方法 基于反应润湿过程中反应界面处的三相能量处于动态平衡状态,以反应界面新相覆盖率a和界面活性元素占位浓度分数Fs为变量,结合Young方程带入边界条件进行数学推导,并且进一步采用Dezellus推出的cosθ-t关系的动力学方程进行理论推导。通过真空熔炼炉炼制NiSi合金,采用改良座滴法,在高温真空润湿仪中的石墨基板上进行润湿实验,用高分辨率的CCD相机拍摄反应润湿过程中接触角的变化,获取接触角数据,结合公式计算,验证动力学方程。结果 理论推导出了固液界面能与时间关系的动力学方程。该方程与文献中将固液界面能在反应过程的瞬时差值作为驱动力所推方程相同,也与Dezellus推出的cosθ-t关系经推导后的动力学方程完全相同。该动力学方程中固液界面能与时间呈指数规律降低的关系。Ni-Si/C体系润湿实验的结果表明,在界面反应控制阶段,固液界面能随反应时间呈指数规律降低,与理论推导的动力学方程中固液界面能随反应时间的变化规律一致,结合动力学方程与Arrhenius方程计算出Ni-45%Si/C体系的界面反应激活能为239 kJ/mol,与文献中所报道的数值接近。结论 反应润湿过程中,该反应动力学方程切实可靠,固液界面能随时间呈指数规律降低的关系,能够为材料表面改性与涂层中的润湿性问题提供理论参考。     

金属凝固组织形成的仿真研究

利用Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ方法,依据对金属凝固过程的温度场,浓度场的数值模拟和金属结晶过程中的热力学条件,建立了描述金属凝固组织形成过程的宏观－微观耦合模型,对Ａｌ－４．５％Ｃｕ（质量分数）固溶型合金的凝固组织形成过程进行了模拟,结果与实际凝固组织接近。     

钢-铝界面扩散层长大过程的研究

研究了液-固相轧制条件下钢．铝界面结合强度和扩散层的内部组织，分析了铝液温度和润湿时间对界面强度和扩散层厚度的影响，通过显微镜和电子扫描分析发现液．固相复合工艺制得的扩散层主要成分为FeA13，在钢板预热温度为250℃，加助焊剂的条件下，铝液温度为850℃时，大约3s后扩散层开始形成，而当铝液温度为。750℃时，扩散层的形成大约需要5s。在钢板温度为250℃，加助焊剂的条件下，铝液温度为850℃时，复合时间在8s-14s时界面剪切强度较高，而当铝液温度为750℃，复合时间在11s-17s时界面剪切强度较高。扩散层厚度在8pm-14μm之间时，界面剪切强度较高。     

液-固双金属复合界面研究新进展

综述了液固双金属复合材料的研究现状，从复合界面成分变化、显微组织、力学性能方面介绍了高速钢和高铬铸铁复合界面研究的新进展，阐述了界面结合机制，并对今后研究提出建议。     

液-固双金属复合界面研究新进展

综述了液固双金属复合材料的研究现状,从复合界面成分变化、显微组织、力学性能方面介绍了高速钢和高铬铸铁复合界面研究的新进展,阐述了界面结合机制,并对今后研究提出建议。     

钢/铝异种金属焊接固/液界面反应研究进展

钢/铝异种金属的焊接的核心问题是如何抑制界面金属间化合物的形成。因此,近年来国内外学者钢/铝异种金属固/液界面反应研究进行了大量研究。总结了固/液界面反应条件下金属间化合物的类型、形态、厚度以及影响其生长的因素。此外,还对金属间化合物生长模型进行了简要的概述,并分析了这些模型中存在的问题,为相关研究提供参考。     

SnSb15合金液-液结构转变的可逆性及熔体状态对凝固的影响EI北大核心CSCD

为了探讨液-液结构转变的可逆性及熔体状态对凝固的影响,利用直流四电极法测量SnSb15合金熔体在三轮连续升降温过程中的电阻率-温度曲线。分析SnSb15合金熔体的不可逆和可逆转变的物理内涵,进而讨论不可逆转变对凝固影响的作用机制。结果表明:SnSb15合金熔体发生了温度诱导的液-液结构转变,其首轮升温过程的转变呈不可逆性,而后续降温及升温过程的转变呈可逆特征;且首轮升温过程的不可逆液-液结构转变显著影响合金的凝固行为和组织,如初生相和包晶相的形核过冷度分别增大9.7和5℃,凝固时间分别缩短2.5和4 s,并且凝固组织明显细化。     

界面热阻对铸件凝固过程温度场的影响

采用直接差分法求解热传导方程,对T型铸件凝固过程中的温度场进行模拟,研究了界面热阻对温度场分布和凝固速率的影响。结果表明:在铸件凝固过程中,随着铸件/铸型热阻的减小和铸件/空气热阻的增加,整个铸件从冒口位置和侧面同时向内部区域凝固;随着铸型/空气热阻的减小,热量传输迅速,凝固过程加快。在实际工艺设计中,减小冒口位置附近的凝固速率,增加拐角区域和侧面凝固速率,使得冒口、拐角处和侧面凝固趋于同步,从而减少各类缺陷的形成,提高铸件的力学性能。