激光高速熔凝Ni-33%Sn过共晶合金组织演化

分别采用连续激光及脉冲激光高速熔凝Ni-33%Sn过共晶合金。结果表明,经连续激光熔凝后熔池内组织由α-Ni+β-Ni3Sn规则层片共晶、未完全熔化的β-Ni3Sn颗粒,以及部分重熔的β-Ni3Sn枝晶组成,经脉冲激光熔凝后熔池内为完全的α-Ni+β-Ni3Sn规则层片共晶。两种方式熔凝后,熔池内组织较基材均明显细化,随着激光扫描速度的增大,共晶层片间距逐渐减小。当激光扫描速度达到1 000 mm/s时,仍未出现规则层片共晶向非规则反常共晶组织的转变,结合TMK模型分析,同时与相同生长速度下的深过冷实验对比,揭示快速生长并非产生反常共晶形成的充分条件。     

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.     

定向凝固Al2O3/YAG共晶自生复合材料的组织形态及非规则共晶生长

采用激光区熔定向凝固技术制备了Al2O3/Y3Al5O12(YAG)共晶自生复合材料.利用SEM,XRD,EDS及TEM对共晶形貌特征、相组成、界面结构.组织演化及相析出规律进行了研究;利用分形维数对非规则微观组织形态进行了定量表征.在此基础上,分析讨论了氧化物共晶的非规则共晶生长机制.结果表明: Al2O3/YAG共晶自生复合材料由无规则均匀分布的Al2O3和YAG两相组成,两相之间相互交错,耦合生长,呈象形文字结构;凝固过程中,YAG相作为领先相析出;随扫描速率增大,共晶间距高度细化,最小层间距为0.2 靘;在低扫描速率下,共晶组织属典型的层片状非规则共晶组织,具有明显的分形特征,当扫描速率达到2000 靘/s时,出现胞状和树枝状组织,组织分形特征减弱;共晶两相高的熔化熵及激光快速凝固大的动力学过冷导致的小平面/小平面共晶生长是形成复杂非规则共晶组织的主要原因.     

激光快速熔凝Ni-Sn共晶合金的组织演变

采用Ni 28%Sn,Ni 30%Sn,Ni 33%Sn和Ni-35%Sn(质量分数)共4种成分的亚共晶和过共晶合金,考察了Ni Sn共晶合金在激光快速熔凝过程中的组织演化过程.当激光扫描速率较低时,Ni 28%Sn亚共晶合金和Ni-35%Sn过共晶合金的熔凝组织主要由细化的初生枝晶(亚共晶合金为α-Ni相,过共晶合金为Ni3Sn相)和枝晶间共晶(α-Ni+Ni3Sn)组成;近共晶合金Ni-30%Sn和Ni 33%Sn的熔凝组织基本相似,熔池从底部到顶部存在柱状共晶团向等轴状共晶团的转变.Ni-Sn亚共晶和过共晶合金熔池底部皆存在少量粗大的残留初生相.激光快速熔凝后,相比基材中所存在的层片和棒状共晶的混合组织,熔池内的共晶组织皆为层片状共晶,层片间距相比基材明显减小,并呈现垂直于熔池底部外延生长的特征.通过对比4种成分合金在不同激光扫描速率下的熔凝组织,获得了激光快速熔凝条件下Ni-Sn合金共生生长区的成分范围以及临界激光扫描速率.应用描述快速枝晶生长的KGT模型和快速共晶生长的TMK模型对熔凝组织进行了分析,模型计算结果与实验结果符合良好.     

共晶形貌选择及界面失稳的多相场模拟

采用KKSM多相场模型,研究了低速下定向凝固CBr4-C2Cl6薄试样的层片共晶界面失稳及形貌选择．多相场模拟结果真实再现了3种共晶层片界面失稳模式及其形貌选择的演化过程,随着初始层片间距的不断增加,其形貌选择变化依次为：层片湮没→稳态生长→1λO不稳定性→2λO不稳定性→层片分叉与形核．模拟结果不仅与理论计算的形貌选择图相符,而且与实验结果定性一致．     

激光悬浮区熔Al2O3基共晶自生复合材料微观组织与力学性能

采用激光悬浮区熔定向凝固方法制备了高致密度Al₂O₃/YAG/ZrO₂共晶自生复合陶瓷材料,研究多元复相陶瓷在高温度梯度、不同生长条件下的凝固组织形态演化规律,定量表征凝固速率与氧化物陶瓷共晶间距的关系,在此基础上,考察其力学性能并分析凝固组织与断裂韧性的关系.研究结果表明:激光悬浮区熔Al₂O₃/YAG/ZrO₂三元自生复合材料呈现与热流方向平行、定向性良好的非规则层片共晶形貌,共晶组织随凝固速率的增大而快速细化,凝固速率为200μm/s时,最小层片间距达到0.46μm.平均层片间距λav与凝固速率V之间符合关系:λ_avV^0.5=12.4μm^1.5·s^-0.5,且明显小于同等凝固速率条件下Al₂O₃/YAG二元共晶的平均层片间距.Al₂O₃/YAG/ZrO₂三元共晶平均硬度为（19.0±1.0）GPa,室温断裂韧性为（3.31±0.2）MPa·m^1/2.与二元共晶相比,裂纹捕获、偏转以及共晶相热胀系数失配是三元共晶室温断裂韧性提高的主要原因.     

试样直径对Ni-Ni3Si定向凝固共晶组织失稳的影响

采用Φ4 mm、Φ7 mm两种Ni-Ni_3Si共晶合金试样,研究试样直径对定向凝固共晶组织失稳的影响。实验结果表明:Ni-Ni_3Si共晶耦合生长的初生相为Ni_3Si相,定向生长的小直径试样更易发生zigzag失稳,形成弯曲的层片组织。分析认为小直径试样的液相温度梯度较大,合金凝固过程中过冷度较低,在生长速率为4μm/s时,即可发生zigzag失稳,这种失稳有利于减小共晶两相扩散生长速率的差异性,缩小两相的宽度差。此外,这种晶内失稳与晶粒的层片取向有关。     

激光悬浮区熔定向凝固Al2O3/YAG/ZrO2三元过共晶合金的微观组织

利用自行研制的激光悬浮区熔设备制备了Al₂O₃/YAG/ZrO₂三元过共晶自生复合材料.在过共晶成分下获得了不含初生相的全共晶层片状组织.详细分析了固/液界面形貌形成原因,并由界面形貌出发阐述了Al₂O₃/YAG/ZrO₂三元过共晶组织织构化趋势.结果表明,低凝固速率下,三元过共晶成分下层片间距大于三元共晶成分下层片间距,而在高凝固速率下则相反,这主要是由于ZrO₂的加入影响了体系的传热及传质条件,通过经典非规则共晶模型综合分析了传输条件对层片间距的影响.过共晶平均层片间距(λ_av)与凝固速率（V）满足λ_avV^0.5=14.7μm^1.5·s^-0.5,符合JH模型.对于激光加工中经常出现的带状组织形成机理也进行了讨论.     

激光区熔定向凝固Al2O3／YAG／ZrO2亚共晶陶瓷的微观组织

采用激光区熔定向凝固技术制备了Al2O3/YAG/ZrO2三元亚共晶自生复合陶瓷,研究了不同激光扫描速率下亚共晶自生复合陶瓷的微观组织,并与激光区熔定向凝固Al2O3/YAG二元及Al2O3/YAG/ZrO2三元共晶自生复合陶瓷的微观组织进行了对比.结果表明,激光区熔定向凝固Al2O3/YAG/ZrO3三元亚共晶由相互交错分布的α-Al2O3、YAG和c-ZrO2三相组成,无其它结晶相和无定形相;随激光扫描速率的增大,凝固组织发生显著变化,出现了由共晶集群到较为规则的树枝状共晶再到杂乱的树枝状共晶的组织转变.初生相的枝晶生长,使得亚共晶陶瓷的凝固组织明显不同于共晶陶瓷的凝固组织;亚共晶凝固组织呈现典型的小平面非规则共晶形貌,凝固组织主要由Al2O3和YAG两相的小平面生长方式决定,第三组元ZrO2相表现出弱小平面生长特征.     

Ag-Cu/Co-Sn共晶合金深过冷快速凝固反常共晶的形成研究

利用熔融玻璃净化循环过热的方法进行了Ag-Cu/Co-Sn共晶合金的深过冷快速凝固实验,并系统研究了熔体过冷度和微量Nb添加对反常共晶形成的影响。结果表明,快速凝固过程中共晶枝晶内部首先重熔形成反常共晶,随着过冷度的增大,共晶相的形貌从蠕虫状转变为球形颗粒,被重熔形成的固相颗粒将作为剩余液相形核生长的基底,Ag-Cu共晶中共晶两相形核具有非互惠性。Co-Sn共晶合金中添加Nb元素后样品内部反常共晶形成的临界过冷度由23 K降低至15 K,而表面组织中过冷度从45 K降低至30 K。由于样品表面与坩埚壁接触有利于结晶潜热消散,反常共晶形成的临界过冷度较高。Ag-Cu共晶合金温度再辉曲线上慢速凝固阶段持续的时间较Co-Sn共晶合金要长。     

Al-7.7Ca共晶合金凝固组织的悬浮冷速控制

基于自动化控制理念,通过对共晶合金的悬浮冷速控制,提出了悬浮冷速控制方程,并分析了不同冷速条件下的凝固组织和生长机理。结果表明:冷速控制方程可以准确的反映冷却速率与激光速率的关系。伴随冷速的增加,Al-7.7Ca合金的气动悬浮凝固组织由规则的层片状共晶组织转变为不规则的粒状共晶组织。粒状共晶组织和层片共晶组织分别为快速凝固和缓慢凝固的产物。     

过冷Ni-P共晶合金中反常共晶的形成（英文）全文替换

为研究初生相重熔与反常共晶形成之间的关系，在一定过冷度范围内制备温度再辉被抑制的Ni-19.6%P(摩尔分数)共晶合金薄片试样，得到完全规则的共晶组织。随后将薄片样品快速加热到介于凝固形核与共晶反应之间的特定温度，观察到反常共晶结构的形成，并且反常共晶组织的体积分数随着加热温度的升高而增大。此外，在快速加热后所获得的反常共晶组织中α-Ni的取向随机，而β-Ni3P相则呈现共同的取向。α-Ni为固溶体，但是β-Ni3P为具有一定化学计量比的金属间化合物，充分说明初生规则共晶的重熔正是反常共晶组织的成因。     

铸铁快速凝固条件下共晶生长SCIEI

采用激光快速熔凝和深腐蚀技术,对快速凝固过程中铸铁的共晶生长进行了研究。结果发现,在快速凝固条件下,共晶莱氏体除按普通条件下的蜂窝伏和层片状生长外,还存在一种新的共晶生长方式,即蘑菇状共晶生长,最终形成带有大量分枝的层片分枝结构。     

Fe40Ni40B20共晶合金深过冷凝固组织演化的温度曲线及高速摄影分析

采用红外测温仪结合高速摄影,对Fe40Ni40B20（at%）共晶合金深过冷熔凝过程温度曲线及凝固过程影像进行监测和记录。基于获得的高速摄影图像及温度曲线结果,结合合金对应凝固条件下组织特征分析,发现深过冷条件下合金的凝固组织随过冷度（ΔT）存在三个典型演化过程：ΔT =170K-230K,规则棒状亚稳相共晶团组织初始形成,随后残余液相中稳定两相凝固及初始亚稳组织重熔,分别对应温度曲线及高速摄影图像中的一、二次再辉;ΔT =230K-260K,规则棒状及近非规则亚稳相共晶团组织形成、亚稳相分解及残余液相中稳定相外延生长,表现为温度曲线及高速摄影图像中仅有一次再辉过程;ΔT =260K-300K,非耦合生长非规则亚稳相共晶团组织的形成,亚稳相的后续分解,表现为温度曲线中出现拐折及高速摄影图像中存在二次再辉现象。高速摄影测得一次再辉对应凝固速率表明,大过冷范围随着ΔT增大,初生组织凝固速率出现先增大而后稳定的现象;采用枝晶生长模型近似计算的亚稳相生长速率在中大过冷范围与测得一次凝固速率较好吻合,更大过冷范围速率稳定归因于生长机制转变为两相的非耦合生长,也很好的印证了以上组织演化规律。     

模拟定向凝固生长速率对杆形Mn-Bi合金共晶间距的影响

为了深入了解定向凝固过程生长速率对杆形Mn-Bi合金共晶间距的影响，开展了试验和数值模拟研究工作，以期初步明确在地球上试验得到的杆形共晶间距和在外层空间(航天飞机上)同样试验条件下得到的杆形共晶间距发生变化这样一个事实的机理。在杆形MnBi共晶相和Bi基体生共前沿，用传盾方程计筑了Mn在合金液中的浓度场，得到了液、固两相间台式界面前沿Mn的等浓度曲线，进而依据Jackson-Hunt研究的理论模型计算出杆形共晶间距。试验和数值模拟的结果显示，规则生长时，随着Peclet数Λ的不断增加,杆形共晶间距逐渐减少，试验与模拟的结果吻合良好。Λ数还可在将来被用来模拟计算该合金凝固时非规则生长时的情况。     

共晶合金凝固理论的研究进展

综述了近年来规则共晶和非规则反常共晶转变的理论和实验的研究进展。对于规则共晶的形成的研究已趋于成熟,建立了能较好预测实验结果的理论模型;对于非规则反常共晶的形成,目前已获得大量的实验数据,涵盖生长方式,生长速率,生长形态,空间分布和组织粗化等行为,但在模型描述和预测仍不完善,形成机理仍存争议。然而,由于实际工业合金成分的复杂性,共晶凝固理论至今实际应用仍偏少。因而,如何通过实验和理论研究相结合,将共晶点成分理论松弛到整幅相图范围,二元合金凝固理论拓展到多元合金体系,将理论与最新技术条件相结合应用到工业生产中,仍是凝固理论研究的努力方向。     

GH536高温合金选区激光熔化温度场和残余应力的有限元模拟

计算了GH536高温合金选区激光熔化(SLM)过程中熔池区域的温度场变化和凝固后残余应力分布。计算采用复合Gauss热源研究激光光学穿透深度的影响规律,通过研究材料属性随温度的变化关系实现粉层、熔池及固态金属的转化。实验结果表明,Gauss热源模型能够较好地模拟SLM过程中的温度场分布以及凝固后的残余应力。模拟结果显示,随着激光功率的增大,熔池宽度、深度和长度均相应增大,凝固速率减小;随着扫描速率增大,熔池宽度和深度减小,长度不变,凝固速率增大。计算结果表明,单层选区激光熔化的零件表面存在较大的拉应力,随着深度增大,拉应力迅速减小转为压应力。     

Ni-B共晶合金非平衡凝固组织形态研究

采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的深过冷技术,研究共晶合金Ni-3.6%B在不同的冷却速率和过冷度下凝固的室温组织变化规律。结果表明,过冷度和冷却速度都对凝固组织形态有重要影响,过冷度从16 K逐渐增加到301 K,熔断后的初生相-αNi由棒状晶转变为粒状晶,共晶组织从层片状转变为非规则点状组织;在大过冷条件下,改变冷却条件,冷却速率由真空炉中空冷、水淬、Ga-In合金淬冷和铜模激冷逐次增加,则所得室温共晶组织形态会由非规则点状转变为规则层片状。进一步理论分析表明,在小过冷条件下,共晶合金Ni-3.6%B的室温组织形态主要由过冷度决定,而在大过冷条件下,共晶组织形态则由冷却速率决定。     

激光功率对DH36船用钢力学性能及强化机制的影响

目的 提高DH36船用钢表面力学性能及研究其强化机制。方法 采用不同激光功率对DH36船用钢表面进行激光重熔。随后使用OM、SEM、TEM、万能力学试验机和维氏硬度计研究了激光功率对DH36船用钢组织转变、析出相和力学性能的影响。利用Rosenthal模型计算出了熔池内的温度梯度、冷却速率和凝固速度。分析讨论了不同激光功率下重熔层内显微组织的转变过程。比较了不同激光功率作用后DH36船用钢的拉伸性能和显微硬度。结果 激光功率为1 500 W时,最大的屈服强度和抗拉强度分别为495.7 MPa和615.5MPa。重熔层内显微硬度沿z方向呈逐渐下降趋势,激光功率为1 000 W时,具有最大的硬度值448HV。随着激光重熔功率(P)的增加,熔池内的温度梯度的最大值(G_max)单调增加,而凝固速度的最大值(R_max)则与P无关。当v=10 mm/s时,激光重熔DH36钢的熔池内有R_max=0.098 3 m/s。在P=2 500 W时,熔池内有G_max=107 700 K/m。功率为1 000 W时,晶粒内...     

多元合金激光增材制造凝固组织演变模拟

针对多元合金激光熔覆过程,基于有限元方法和元胞自动机技术建立了多元合金激光熔覆熔池三维传热传质及凝固组织形貌演变模型,通过自行开发的宏微观耦合接口程序实现了三维熔池模型和多元合金凝固组织演变模型的耦合. 针对IN718激光熔覆过程中的传热传质和凝固组织演变过程进行了模拟,研究了基板初始晶粒尺寸、异质形核及多层熔覆扫描路径对熔覆层凝固组织形貌的影响机理,并对模拟结果进行了试验验证. 结果表明,模拟结果与实际物理过程吻合较好,所开发的耦合模型能够真实反映多元合金激光熔覆过程.