Nb-Ti-Si基超高温合金的组织演化分析

研究了不同凝固速率下Nb-Ti-Si基新型超高温合金的组织演变。结果表明,Nb-Ti-Si基超高温合金由NbSS、α(Nb,X)5Si3和γ(Nb,X)5Si3组成。共晶胞的等效直径和共晶组织的层片间距随着凝固速率的增大而减小。定向凝固试样进入稳态区后的固/液界面演化过程为胞枝状→树枝状→胞枝状。     

Al-1.5%Cu合金定向凝固界面形态演化（英文）

采用定向凝固方法研究Al-1.5%Cu合金枝晶-胞晶转变界面形态演化。结果表明,与以往的演化规律不同,凝固组织演化是逐步进行的,在抽拉速率为30~1500?m/s的范围内,凝固组织呈现多样化。枝晶-胞晶转变规律如下:枝晶→条带胞状枝晶→细长型胞晶和枝晶的混合组织→细长型胞晶占主导的胞枝混合组织。根据这种现象,进一步从理论方面研究枝晶-胞晶转变。枝晶尖端形状是枝晶-胞晶转变的重要参数,由于枝晶-胞晶转变偏离平衡凝固,因此,在计算过程中考虑非平衡凝固,得到枝晶-胞晶转变发生在尖端半径最小处。     

DZ125高温合金定向凝固微观组织的CA法模拟

采用伪二元相图法对DZ125多元合金进行了简化,并用二维Cellular Automaton(CA)法模拟了合金定向凝固微观组织.通过采用不均匀连续形核模型,在考虑到枝晶生长动力学的基础上,模拟了不同抽拉速度下合金定向凝固组织形貌,枝晶界面形态以及一次枝晶间距的变化,说明树枝晶竞争生长中存在"分枝"与"淹没"的机制;并且随凝固速率的增加,合金凝固组织从分枝较少的胞状树枝晶向分枝发达的树枝晶转变.模拟的一次枝晶间距从凝固速率为50 μm/s时的132 μm减少到凝固速率为500 μm/s时的69 μm.模拟结果与实验结果吻合较好.     

Numerical simulaton of cellular/dendritic transition and its growth during unidirectional solidificationin of Ti–Al alloy

采用基于溶质扩散控制模型CA方法对Ti44Al合金定向凝固初始阶段变速冷却过程中胞/枝晶转变过程进行了数值模拟.模拟结果表明,在胞/枝转变过程中,存在胞-枝混合生长区,在一些胞晶相邻面无二次枝晶生长.在给定的冷却速率下,枝晶臂间距大于胞晶臂间距;而在过渡区,枝晶间距达到最大.另外,晶核数量对柱状晶间距产生影响,随着植入晶核数量的增加,柱状晶间距非均匀化程度明显减小.出现过渡区的原因与枝晶生长所引起固/液界面前沿成分波动有关.模拟与实验结果吻合较好.     

生长速度对Ti-45%Al包晶合金定向凝固组织的影响

通过电磁感应加热和液态金属冷却相结合的实验方法制备了Ti-45%Al(at%)包晶合金的定向凝固试样,并观察在不同生长速度下的微观组织和界面形态。结果发现,抽拉速度为10μm/s时,界面以胞晶形式生长,最终组织的α2 γ片层与生长方向垂直;抽拉速度为50μm/s时,观察到明显的枝晶生长界面,α2 γ片层与生长方向成45°夹角。低速下的胞状间距明显大于高速下的枝晶间距,说明快速凝固有利于减小枝晶间距。     

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。     

Ti-Al合金定向凝固过程中胞/枝晶间距选择的计算机模拟

利用溶质扩散控制模型对Ti-Al合金定向凝固初始阶段变速冷却过程中胞/枝晶转变过程进行了数值模拟。在给定的冷却速率下,枝晶臂间距大于胞晶臂间距,而在过渡区,枝晶间距达到最大。另外,模拟结果也显示,晶核数量对柱状晶间距产生影响,随着植入晶核数量的增加,柱状晶间距非均匀化程度明显减小。出现过渡区的原因与枝晶生长所引起固/液界面前沿成分波动有关。模拟与试验结果吻合较好。     

Ni-Cu二元合金定向凝固的相场法数值模拟

采用相场方法对二元合金的定向凝固进行二维数值模拟,以Ni-Cu合金为例,展示了界面形态的演化过程,研究了相场参数对界面形态的影响.结果表明,随着界面厚度的减小,晶体生长形态由胞晶转变为树枝晶,尖端速度增大,但其稳定性下降;各向异性系数越小,尖端生长速度越小,越易于侧向分支的生长,形成胞状枝晶;热扰动幅值α对界面形态也有重要影响,当a取值适当时,便引发侧向分支,形成胞状枝晶,同时尖端速度也受到影响.     

Ni-Cu二元合金定向凝固的相场法数值模拟

采用相场方法对二元合金的定向凝固进行二维数值模拟,以Ni-Cu合金为例,展示了界面形态的演化过程,研究了相场参数对界面形态的影响.结果表明,随着界面厚度的减小,晶体生长形态由胞晶转变为树枝晶,尖端速度增大,但其稳定性下降;各向异性系数越小,尖端生长速度越小,越易于侧向分支的生长,形成胞状枝晶;热扰动幅值α对界面形态也有重要影响,当a取值适当时,便引发侧向分支,形成胞状枝晶,同时尖端速度也受到影响.     

高温度梯度定向凝固镍基高温合金DZ125的组织演化

采用液态金属冷却(LMC)定向凝固结合液淬法,在温度梯度(G)为250 K/cm,凝固速率(V)为2-400 μm/s的条件下系统研究了镍基高温合金DZ125的固/液界面形态、胞/枝晶间距及MC碳化物形态.随着V的增大,界面形态经历了浅胞状→深胞状→粗枝晶→细枝晶的转变.一次胞晶间距随着V的增大而增大,当V=5 μm/...     

INTERFACE MORPHOLOGIES AND MICROSTRUCTURES DURING DENDRITE-TO-CELL TRANSITION AT HIGH GROWTH RATE

The interface morphologies and microstruetures of the directionally solidified Ni-5wt-% Cualloy during dendrite-to-cell transition at high growth rates have been investigated with anewly developed apparatus for unidirectional solidification with the temperature gradient atthe solid/liquid interface higher than 1000 K/cm.The results show that in the vicinity ofdendrite-to-cell transition point,the well developed sidebranches become shrivelled with theincrease of growth rate and disappear at the dendrite-to-cell transition,and the primaryspacing decreases simultaneously.Moreover,the length of mushy zone decreases greatly dur-ing the dendrite-to-cell transition.Cells obtained at high growth rates have very similarmorphologies to those at low growth rates,but with much smaller cell spacings andunsmoothed cell walls which may be attributed to the different stability conditions of the cellwalls at low and high growth rates respectively.     

Thermomechanical instability analysis of inhomogeneous deformation in amorphous alloys

Recent experiments have shown that inhomogeneous deformation in amorphous alloys critically depends on the environmental temperature and the applied strain rate, and that the temperature field inside the shear-band can rise up to the glass transition temperature. A free-volume-based, thermo-viscoplastic constitutive law is developed in which the thermal transport equation includes contributions from the heating from plastic work and the heat conduction. For homogeneous deformation, the instantaneous temperature rise during the strain softening stage can lead to thermal softening and promote the initiation of shear bands. A linear stability analysis is carried out to examine the conditions for the unstable growth of temperature fluctuations. It is found out that the short-wavelength fluctuations, the amplitudes of which would decay at low strain rate and moderately high environmental temperature (but still much lower than the glass transition temperature), become unstable at high strain rate and low temperature, so that the resulting shear-band spacing will be shorter. A deformation mechanism map is constructed to delineate this transition of inhomogeneous deformation from coarse to fine shear-band arrangements. The theoretical results agree well with a nanoindentation experiment where there is varying applied strain rate and environmental temperature and with a microindentation experiment in which the evolution of the effective strain rate during loading influences the spatial distribution of the shear-band spacing observed using the bonded interface technique.     

单相合金定向凝固的特征尺度和过冷度研究

采用透明合金丁二腈（SCN）-1．48％水杨酸苯酯（Salol）（质量分数）进行恒速定向凝固实验,考察了一次间距、尖端半径和尖端温度随凝固生长速度变化的规律．通过考察平界面失稳孕育时间和失稳时界面速度的关系,获得了平界面失稳的临界速度．实验发现,随着生长速度的增大,一次间距先减小到一个极小值然后又增大到一个极大值,随后逐渐下降,呈现S形的变化趋势,并且在从极小值增大到极大值区间发生了胞／枝转变．将实验结果与经典的BHL模型以及自洽数值模型进行了比较,发现BHL模型所预言的尖端温度与实验结果存在较大偏差,而所有实验结果与自洽模型吻合较好．     

STRUCTURE EVOLUTION OF DIRECTIONALLY SOLIDIFIED Ti--43Al--3Si ALLOY I. Microstructure Evolution in the Transition Region

对Ti--43Al--3Si (原子分数, %) 合金在3---100 μm/s 的生长速度下进行了系统的定向凝固实验. 研究了生长速度对固/液界面形态及初始过渡区组织演化规律的影响. 合金在3---60 μm/s 的生长速度范围内均以胞晶形态生长, 胞晶间距随着生长速度的增大而减小; 当生长速度达到90 μm/s 时, 开始出现枝晶生长. 在定向凝固初始启动阶段, 存在清晰的热过渡区, 热过渡区内Ti₅Si₃ 相分布及过渡区组织与定向凝固区组织的关联性对于籽晶材料的引晶效果有重要影响. 生长速度在10 μm/s 以内时, 热过渡区内Ti₅Si₃ 相分布连续, 且热过渡区组织与定向凝固区组织的关联性好, 有利于该合金的引晶.     

晶体取向对单晶高温合金一次枝晶间距的影响

在固液界面微单元热量平衡分析的基础上，建立了晶体取向对一次枝晶间距影响的理论模型。该模型表明，一维择优晶体取向与宏观定向凝固方向偏离越远，一次枝晶间距越小，对ＤＤ８单晶高温合金凝固组织尺度的实验研究结果表明，晶体取向对一次枝晶间距的影响趋势和理论模型相吻合，其影响程度和固液界面温度梯度及定向凝固速率有关。模型及实验都表明，提高固液界面温度梯度和定向凝固速率，晶体取向对一次枝晶间距的影响程度减弱。     

生长速度与试样直径对定向凝固Ti-46Al-8Nb合金显微组织和硬度的影响

对Ti-46Al-8Nb（摩尔分数,%）合金进行布里奇曼型定向凝固实验,考察生长速度和试样直径对合金显微组织、相变路径和硬度的影响。结果表明,随着生长速度的增加和试样直径的减小,凝固过程由完全β相凝固转变为具有包晶反应的凝固过程,其最终显微组织为α2/γ层片及有α2/γ层片和B2相组成的多相组织。以上结果是由扩散和对流的减弱造成的溶质富集而引起的。包晶反应的发生往往导致严重的溶质偏析,其中溶质Al和Nb的偏析使得层片组织较为粗大。因此,在较高生长速度下发生包晶反应时,合金硬度值急剧下降,硬度曲线随着生长速度的增加呈不连续变化。严重溶质偏析导致的粗大层片组织也使得该成分合金的硬度低于其他Ti Al基合金的硬度。     

Simulation of microstructure evolution in directional solidification of Ti-45at.%Al alloy using cellular automaton method

The microstructural evolution of Ti-45 at.%Al alloy during directional solidification was simulated by applying a solute diffusion controlled solidification model. The obtained results have shown that under high thermal gradients the stable primary spacing can be adjusted via branching or competitive growth. For dendritic structures formed under a high thermal gradient, the secondary dendrite arms are developed not very well in many cases due to the branching mechanism under a constrained dendritic growth condition. Furthermore, it has been observed that, with increasing pulling velocity, there exists a cell/dendrite transition region consisting of cells and dendrites,which varies with the thermal gradient in a contradicting way, i.e. increase of the thermal gradient leading to the decrease of the range of the transition region. The simulations agree reasonably well with experiment results.     

定向凝固共晶生长的元胞自动机数值模拟

本文在已有的二元初生相元胞自动机（CA）方法的基础上,针对二元共晶凝固过程提出了改进的元胞自动机（MCA）模型.该模型考虑成分过冷和曲率过冷对界面形态的影响,通过界面溶质浓度守恒来获得共晶α相和β相生长速率,模拟了层片的湮灭、分叉与稳态生长.为了验证模型的可靠性,对常见的CBr₄-C₂Cl₆共晶透明合金进行了模拟,研究了抽拉速率对共晶层片间距大小的影响,模拟结果与文献中的实验结果吻合良好;同时模拟了共晶层片间距调整过程的形貌演化以及层片振荡不稳定性现象.本文将MCA模型扩展到三维定向凝固过程中,研究了共晶形态的层棒状转变机制.