定向凝固过程中单晶合金枝晶生长的研究进展

随着定向凝固技术与工艺的不断发展,工程技术人员对枝晶生长的控制也越来越精准。为使枝晶生长朝着人们设定的方向发展,进而获得理想的组织结构,凝固过程的控制成为关键因素。定向凝固技术制备的合金虽能提高其综合力学性能,但受到枝晶生长等多方因素影响,因此有必要对枝晶生长方面的研究工作进行评述。综述了定向凝固工艺参数、合金成分和晶体取向对枝晶生长的影响,尤其是对一次枝晶间距的影响。通过建立物理模型来模拟枝晶的生长过程,一方面来验证理论模型的有效性,另一方面对干扰因素进行预测和控制。此外,论文还分析与讨论了一次枝晶间距的极端范围与边界条件。最后,对影响定向凝固控制枝晶生长的因素进行了总结和展望。     

电磁振荡Al-Cu合金凝固组织分析

利用直流磁场和交流电场产生的电磁振荡，凝固Al—Cu亚共晶合金。结果表明，Al—Cu合金在电磁振荡凝固条件下，电流密度和磁场强度有最佳值。在一定范围内随电流密度和磁场强度的增加，宏观组织得到细化，超过一定电流密度和磁场强度范围，合金组织有粗化的趋势。随着电流密度或磁场强度的增加，树枝晶破碎，凝固组织结构趋于球形化。     

定向凝固MnNi合金的相变特征以及超高阻尼行为

MnNi阻尼合金因具有丰富的相变行为而极具开发潜力。本文通过定向凝固手段制备了超高阻尼MnNi合金。为了研究其相变行为,采用差示扫描量热分析(DSC)、X射线衍射(XRD)、动态力学分析(DMA))等实验方法,并将轧态合金进行对比研究。结果表明,定向凝固过程形成的由富Mn枝晶干与富Ni枝晶间构成的枝晶组织,在升温过程分别发生fco→fct以及fct→fcc的结构相变,继而使其具有优良的相变阻尼性能。电子背散射衍射(EBSD)揭示定向凝固MnNi合金晶粒粗大,且晶粒内部存在大量的小取向差孪晶,使其孪晶阻尼性能是轧态合金的7倍。     

混合熵对定向凝固锰铜基阻尼合金组织与性能的影响北大核心

使用动态热机械分析仪、光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)研究了不同成分梯度的定向凝固锰铜基合金的微观组织、阻尼行为以及力学性能特征。结果表明,在定向凝固过程中,随着合金元素的添加,枝晶间距逐渐减小,成分偏析程度增加,物相组成变为单一的母相,熵增引起的成分过冷使得枝晶易于断裂。添加镍与铁元素可以提高低温端孪晶的内耗值,而在加入锌元素后,MnCuNiFeZn合金在673 K下的内耗升高至0.023。随着混合熵的增加,三种不同成分梯度的定向凝固锰铜基合金的抗拉强度与伸长率均线性增加,合金应变硬化率的平稳保持段的斜率与混合熵呈正相关。     

自由落体条件下Ni-Pb-Si/Ge合金的组织形成规律

采用落管方法研究Ni-30%Pb-5%Ge和Ni-9%Pb-5%Si偏晶合金的快速凝固.Ni-30%Pb-5%Ge合金形成了"偏晶胞+初生相(Pb)"、"偏晶胞+壳核"、"壳核+α-Ni枝晶"和"均匀弥散"四种凝固组织.实验统计和理论计算表明,小直径合金液滴倾向于形成均匀弥散的两相组织.Ni-9%Pb-5%Si合金形成的凝固组织以初生的α-Ni相枝晶为主,枝晶间和枝晶内均有Pb相分布.随合金液滴直径的减小,α-Ni相枝晶向等轴晶转变,Pb相组织在晶界处逐渐富集.α-Ni固溶体中没有Pb原子固溶,溶质Si原子的含量随液滴直径的减小而增加,溶质截留效应显著.     

不同通磁温度下直流磁场对AZ91D镁合金凝固组织的影响

研究了在不同通磁温度下直流磁场对AZ91D镁合金凝固组织的影响,并对其影响机理进行了探讨.结果表明.直流磁场对AZ91D镁合金的凝固组织有明显影响.随着通磁温度的提高.AZ91D镁合金晶粒被细化;β相碎化且分布均匀,形貌由连续网状变为分散颗粒状;基体相中Al元素含量增加,晶界厚度变薄且晶界中Al元素含量减少,改善了AZ91D镁合金的力学性能.     

旋转磁场对Al-Cu合金凝固组织动力学行为的影响

以Al-(4%～5%)Cu合金为试验材料,研究旋转磁场环境对Al-Cu合金凝固组织的影响.将装于φ16mm坩埚中Al-Cu合金在电阻炉中加热熔化,然后迅速放置于旋转磁场之中,让其在旋转磁场中冷却凝固.采用光学显微镜观察合金凝固组织变化.结果发现,旋转磁场对合金的凝固组织产生明显的细化效果,使粗大的树枝晶破碎,凝固组织不再是树枝晶结构,而呈现近等轴晶颗粒,分布较均匀,晶间距也明显减小.同时发现,不同的磁场强度对合金的凝固组织形貌有不同的影响,从细化晶粒角度讲,100V电压产生的磁场最有利于晶粒细化,过高或过低的磁场强度都不利于晶粒细化.     

Zn-Mg富Zn区合金在不同冷速下的凝固微观组织演化及相选择

采用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)等手段分析不同镁含量Zn-Mg合金在金属阶梯铸型下的铸态凝固组织形貌,探讨冷速对合金组织的影响。结果表明,Zn-Mg合金中存在非小平面的枝晶初生Zn相和小平面包晶Mg_2Zn_(11)金属间化合物相,基体为共晶组织;随着冷速的提高,Zn-2%Mg合金中枝晶初生Zn相数量增多、细化且具有发达的二次枝晶臂,共晶层片细化明显,Zn-3%Mg合金中的共晶晶胞具有台阶状及圆状特点,且随着冷却速度的提高,圆形的胞状共晶晶粒增多。     

ZL114A合金熔体结构变化及其对凝固组织的影响

以合金ZL114A为对象.在温度梯度、淬火时间和冷速等参数不变的条件下,研究熔体结构变化及其对凝固组织的影响.DSC分析显示,合金熔体结构在700～1100℃之间发生一系列变化,据此选择5个超温处理温度Ts,测量经超温处理后试样中α-Al枝晶数量及特征参数.结果表明,与浇铸温度720℃试样的凝固组织相比,经800,850,900,1080和1250℃超温处理后.α-Al和共晶组织α Si都得到细化与均匀化、α-Al枝晶间距及数量随熔体温度的升高呈减小的趋势.随着温度的升高,合金熔体的结构状态发生改变,是导致合金凝固组织变化的主要原因.     

A356合金轮毂的微观组织及拉伸性能研究

研究了低压铸造A356合金轮毂重要部位微观组织及拉伸性能.结果表明:先凝固的部位微观结构细化,二次枝晶间距较小,后凝固的部位随着保温时间的延长,晶粒呈长大趋势,二次枝晶间距尺寸增大,因此最先凝固的内轮缘相较其他部位表现出最优的微观组织与力学性能;辐条处存在缩孔、缩松缺陷,在拉伸过程中,截面上缺陷的存在降低了承受外载荷的有效面积,试样在较小的载荷下发生断裂,因此辐条部位力学性能最差;在拉伸断口表面观察到较少的准解离平面和分布均匀的韧窝形貌,拉伸断裂方式为以韧性断裂为主的韧脆混合型断裂.     

交流电场对Al-Si共晶合金凝固组织的影响

研究交流电场作用下Al-Si共晶凝固组织的变化。结果表明,电场作用改变了共晶Si的生长形态,随电流密度增加,共晶Si的形态经历一次先细化后粗化的过程。电场的处理作用使Al-Si共晶合金中潜在的形核质点增加,电流密度为16.98mA/mm2时,形核率达到最大值,电场对共晶Si的生长有抑制作用。     

快速凝固制备Cu-2.0cr-0.3Zr(wt%)合金组织及性能研究

采用单辊旋铸快速凝固法制备了Cu-2.0Cr-0.3Zr(质量分数, %)合金微晶薄带,对快速凝固态合金的组织和性能进行了研究。实验结果表明,快凝态Cu-2.0Cr-0.3Zr合金的显微硬度达103 Hv,比常规固溶处理态(66 Hv)提高了56%。快凝态合金经900 ℃,1 h高温退火后,硬度值仍为84 HV,这一性能明显优于无氧铜,表明该合金具有良好的抗高温软化性能。此外,利用快速凝固制备的Cu-2.0Cr-0.3Zr合金固溶度可得到显著提高,且晶粒细小无偏析,组织得到明显改善。快凝态合金经900 ℃,1 h高温退火后,由于过饱和固溶于Cu基体的Cr析出,形成细小均匀弥散的Cr粒子,使得晶粒长大不明显,细晶强化仍起作用。     

快速凝固Al-Cr-Zr-Fe 合金的微观组织和性能

采用单辊旋淬法制备Al-4Cr-4Zr-2Fe(质量分数, %)合金薄带。利用透射电镜、X射线衍射、能谱分析技术研究了合金急冷态和退火态的显微组织, 测定了合金的显微硬度。结果表明:在快凝Al-Cr-Zr合金中添加铁元素可增加合金的室温和高温性能, 快速凝固Al-4Cr-4Zr-2Fe合金所形成的过饱和固溶体α-Al在400 ℃左右形成Ll₂-Al₃Zr和Al₄(Cr, Fe)相, 产生明显的沉淀硬化效应, 其中, Ll₂-Al₃Zr相为主要强化相。在Al-4Cr-4Zr-2Fe快凝组织中, 发现一种方形Al-Zr相, 该相作为形核核心, 位于等轴晶α-Al中央。     

热溶质流动对Mg-35%Cu过共晶合金凝固组织的影响

研究Mg-35%Cu二元合金在不同壁厚的阶梯型金属铸型凝固过程中溶质和热量的传输。结果表明,Mg-Cu合金中存在明显的热溶质流动,合金在不同部位成分发生明显变化,由底端的过共晶到中部的共晶再到上部的亚共晶成分,合金金相组织也随着成分发生相应的变化。利用Scheil方程预测合金中的宏观偏析,理论计算与试验结果吻合较好。     

快速凝固Al783Fe合金的显微组织特征

用透射电镜观察了快速凝固Ａｌ７８３Ｆｅ 合金的组织形貌和相结构。分析了组织形貌和析出相类型与凝固速度之间的关系,对显微组织结构的形成过程进行了探讨。     

真空熔铸法和快速凝固法制备的Cu-15Ni-8Sn-Xsi合金的组织研究

利用金相、扫描电镜及电子能谱微区成分分析等方法对采用真空熔铸法和快速凝固法制备的不含Si及添加不同Si含量(0．3％和1．2％)的Cu-15Ni-8Sn合金的铸态组织形貌及构成进行了研究。结果发现,采用真空熔铸法所制备的合金的铸态组织具有发达的枝晶,且明显地分为3层,添加的Si由于与Ni结合生成Ni3Si相而细化了枝晶。与真空熔铸法相比,采用快速凝固法制备的添加少量Si的合金,其晶粒均匀细小,枝晶基本消除,微区成分更均匀。相对Si含量较少(0．3％)的合金,当Si含量增加到1．2％时,由于Si抑制了Sn在基体中的固溶度,导致合金中Sn的显微偏析有所加剧。     

Si添加对快速凝固/粉末冶金镁合金组织及力学性能的影响

采用快速凝固/粉末冶金工艺分别制备Mg-8Al-0.5Zn-0.15Mn及Mg-8Al-0.5Zn-0.15Mn-2Si合金挤压棒材。利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)及拉伸机,研究了Si添加对Mg-Al-Zn-Mn合金显微组织及室温力学性能的影响。结果表明,与热压Mg-Al-Zn-Mn合金相比,热压Mg-Al-Zn-Mn-Si合金内晶界上网状分布的Mg17Al12相减少,晶内出现多边形状Mg2Si相。热压后的反向挤压过程中Mg-Al-Zn-Mn合金与Mg-Al-Zn-Mn-Si合金组织均发生连续动态再结晶,其中Mg-Al-Zn-Mn-Si晶粒细化较好,伸长率较大,第二相Mg2Si与基体接合良好,但Mg2Si相周围出现的应力集中导致屈服强度和抗拉强度降低。随着反向挤压温度上升,反向挤压制备的两种合金屈服强度和抗拉强度均降低,而伸长率增大。     

HAS固化剂的尾砂固化性能

HAS固化剂是一种以矿渣为主要原料的灰渣胶凝材料。用不同石膏含量的HAS固化剂进行固化大冶市大红山铜矿全尾砂的实验室和现场试验,并与水泥对比,结果表明,HAS固化剂固化尾砂流动性好、泌水量少、抗压强度高,且固化剂用量仅为水泥的约70%。将石膏含量为20%的HAS-3型固化剂替代水泥应用于大冶市大红山铜矿的尾砂充填生产实际,尾砂不需分级,可提高尾砂利用率40个百分点以上,降低充填成本20%以上。