连续冷却快速凝固过程中相组成的计算模型

基于平面流铸快速凝固过程的牛顿冷却方式假定和过冷熔体中的枝晶生长理论 ,提出了凝固相重量分数计算的物理模型和数学计算方法。该模型可对快速凝固过程不同相的过冷度、晶体的生长速度以及最终的相组成进行半定量的计算和预测。Ni3 1 5Al68 5合金条带的快速凝固过程的计算结果和试验测定数据有较好的吻合。     

过冷Fe-Co合金的包晶凝固

采用熔融玻璃净化法使Fe-Co包晶合金实现了深过冷快速凝固。当熔体过冷度较小时,Fe-Co包晶合金的凝固组织为典型的包晶组织。借助电子探针分析和DTA差热分析,证实了非平衡条件下Fe-Co包晶合金凝固过程中发生了包晶反应和包晶转变。研究表明,深过冷Fe-Co包晶合金的非平衡凝固过程从理论上可以划分为4个阶段:初生δ相的形核与生长、包晶反应、包晶转变和γ相的外延生长。     

基于热力学与动力学相结合的灰铸铁凝固数值模拟

以凝固理论、传热学原理和灰铸铁凝固特性等为基础,采用热力学方法与动力学方法相结合的模拟技术建立灰铸铁模拟框架。对初生奥氏体析出采用热力学计算模型,建立固相率与温度的关系;对共晶相采用动力学计算模型,即形核生长的计算模型,通过建立生长速度与过冷度的关系来确立固相率与过冷度的关系。通过对阶梯形铸件的实验和模拟的数据对比,验证了此方法可以正确地描述灰铸铁凝固过程的行为。     

深过冷熔体激发快速定向凝固

阐述了深过冷的方法，深过冷的遗传性，深过冷度的理论极限以及深过冷熔体激发发快速定向凝固的试验方法及其凝固过程，给出了深过冷熔体（Ｃｕ－５ｗｔ％）激发快速定向凝固与铸态试验激发快速定向凝固的初步试验结果。     

快速凝固Fe-Co合金中的亚稳相

采用熔融玻璃净化和循环过热相结合的方法,研究了Fe-Co合金在深过冷快速凝固中的亚稳相。结果表明,当熔体的过冷度达到某一临界数值(△T_(crit))时,亚稳相(b.c.c)在竞争形核中优先形核生长,并在随后的冷却过程中保留在凝固组织中。在γ单相区内等温退火3 h后,亚稳相完全转变为稳定相;在过冷Fe-Co合金的凝固组织中亚稳相是竞争形核-重熔-γ相外延生长-不完全固态相变的产物。     

深过冷Ni80.3B19.7合金的再辉和非规则共晶的形成

采用熔融玻璃净化结合气体保护的方法,使Ni80 3B19 7过共晶合金获得了407 K的大过冷度,研究了其在不同过冷度下快速凝固过程中的再辉行为.结果表明,Ni80 3B19.7过共晶合金在0～112 K过冷度范围内无明显再辉,在112～323 K过冷度范围内,其再辉曲线表现为两个再辉峰,而在323～407 K过冷度范围内,其再辉曲线为一个再辉峰.初生固相含量的随着过冷度的增大而增大,导致一次再辉度随着过冷度的增大而增大.深过冷Ni80 3B19.7合金凝固组织中非规则共晶的形成,归因于共晶两相在快速凝固阶段以自由枝晶的形式进行的非耦合生长和再辉后的慢速凝固阶段两相枝晶所发生的形态上的转变.     

深过冷Ni-Cu-Si合金熔体中的快速枝晶生长

为了揭示多元合金中的枝晶生长规律,采用电磁悬浮技术实现了Ni-10%Cu-10%Si三元合金的深过冷与快速凝固,实验中合金熔体获得的最大过冷度为236K。对合金快速凝固过程中初生相-αNi的枝晶生长速度测定结果表明,其与过冷度之间存在幂函数关系:V=1.6×10-13ΔT5.7。当ΔT较小时,随着ΔT的增加V增加缓慢,当ΔT较大时,随着ΔT的增加V迅速增加。对比分析表明,溶质Si对-αNi枝晶的生长影响显著,而溶质Cu则几乎没有影响。随着过冷度的增加,未发现-αNi相的微观形态从枝晶向等轴晶转变,但-αNi晶粒尺寸均随着过冷度的增加而急剧细化。     

过冷包晶合金的相选择分析

分析了过冷包晶铁基合金、铜基合金、稀土超导乳化物、稀土木磁化合物非平衡凝固过程中的相选择现象。根据对实验结果的分析，对过冷包晶合金凝固的相选择进行了分类。探讨了过冷包晶合金凝固今后的研究方向和应用前景。     

用相场方法模拟镍的枝晶生长

采用相场模型,计算了纯镍的过冷溶液在凝固过程中的枝晶生长。在相场方程中,采用均匀网格的一般显示有限差分方法求解,通过数值模拟显示了枝晶的形貌,包括一次臂、二次臂,以及在枝晶生长过程中出现的“缩颈”现象。     

深过冷Cu-Pb偏晶合金的快速凝固行为和凝固组织

用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法,研究了亚偏晶Cu-25%Pb合金,Cu-37.4%Pb偏晶合金和过偏晶Cu-40%Pb(质量分数)合金过冷熔体凝固行为和凝固组织的演化规律,以及Cu-37.4%Pb偏晶合金的过冷度对磨损率的影响.研究表明:在过冷亚偏晶Cu 25%Pb合金熔体凝固过程中先形成α(Cu)初生相,随着过冷度的增大,凝固组织经历粗大枝晶重熔形成的细化枝晶向准球状晶粒演化的过程;在过冷Cu-37.4%Pb偏晶合金熔体凝固过程中初生相为L2相,当过冷度在20～150 K区间时,得到第二相S(Pb)弥散在α(Cu)枝晶间的凝固组织,并且在该过冷区间内随着过冷度的增加,材料的磨损率也逐渐降低;在过冷过偏晶Cu-40%Pb合金熔体凝固过程中初生相为L2相,在过冷度区间42～80 K时,得到以偏晶胞形式分布的凝固组织.     

亚共晶Ni-Si合金的凝固组织特征研究

采用布里奇曼定向凝固技术制备了NiNi3Si亚共晶复合材料,系统地研究了Ni-Ni3Si亚共晶的定向凝固组织特征。在较低的凝固速率R=3μm/s时亚共晶成分的合金为规则的层片共晶组织。随着凝固速率的增大,当R=8μm/s时,平界面失稳,在第二相的旁边出现浅胞状组织。当R=25μm/s时在析出相的旁边出现了突起的胞状组织。当R=40μm/s时由于固液界面前沿的成分过冷逐渐增大,凝固组织生长成为典型的树枝晶组织。并根据"成分过冷"判据,评估了固液界面前沿的"成分过冷"的大小,理论计算与实验结果基本吻合。此外,根据BH模型计算和比较了α-Ni相的界面生长温度和共晶界面生长温度,证明较高速定向凝固下不太可能制备出全耦合生长的共晶组织。随凝固速率的增大,一次枝晶间距减小,组织细化。     

深过冷Ni—Sn共晶合金的快速凝固机制

本文通过净化法使 Ni-32.5wt-%Sn 共晶合金液获得深过冷,对该合金液在不同过冷条件下的凝固机制和组织进行了研究。结果表明:当过冷度小于约10K 时,该合金液凝固生成 Ni_3Sn相和 Ni(α)相层片共晶。在深过冷条件下,由于 Ni_3Sn 枝晶的自由生长速度远大于 Ni(α)枝晶的自由生长速度,再辉过程中,Ni_3Sn 相和 Ni(α)相不能以匹配方式生长,而由 Ni_3Sn 相作为领先相以枝晶簇方式生长。再辉过程中形成的枝晶簇,其内部 Ni_3Sn 枝晶进一步熔断粗化及 Ni(α)相在Ni_3Sn 枝晶间形成生长,最后形成非规则共晶组织。当过冷度小于130K 时,再辉之后,枝晶簇间存留有较大体积的成分仍为 Ni-32.5wt-%Sn 的合金液,这部分合金液在共晶平台阶段以层片共晶方式凝固,所以试样内部的组织由非规则共晶区和层片共晶区组成。     

真空环境下乙酸液滴过冷凝固过程传热传质特性

利用真空闪蒸系统对乙酸液滴在真空环境下的过冷凝固过程进行了动态观测,建立了针对单个乙酸液滴在真空环境下过冷凝固过程的传热传质数学模型。模型考虑了液相和固相内的温度分布,引入过冷凝固的动力学条件以及表面升华的传质方程描述凝固界面与升华界面的运动。综合实验测量数据和模型计算结果,掌握了乙酸液滴在环境下过冷凝固过程中的温度变化,比较了乙酸液滴和纯水液滴过冷凝固过程中温度变化的特征,分析了环境压力对液滴温度变化的影响。结果显示:与纯水液滴相比,乙酸液滴具有更高的凝固平衡温度,在实验过程中更早开始凝固。由于乙酸凝固潜热较小,再辉阶段温度上升较为缓慢,凝固时间较短。环境压力越低,凝固过程中液滴过冷度越大,凝固速度越快,液滴最终温度越低。     

深过冷Ni-Sn合金非规则共晶的形成机制

采用熔融玻璃净化配合循环过热使Ni-32.5%Sn(质量分数)共晶合金实现了深过冷快速凝固.当过冷度大于某一临界值时,非规则共晶在凝固组织中出现.随着过冷度的提高,最终得到完全的非规则共晶组织.通过分析Ni-Sn共晶合金中各相形核、生长、以及枝晶熔断机制随过冷度的变化,解释了非规则共晶的形成机制.在深过冷条件下熔体中初生相率先形核并长入过冷熔体中,形成枝晶骨架,再辉重熔后次生相从残余熔体中析出并包围初生相,形成非规则共晶.     

深过冷Sb-Sn过包晶合金的快速凝固

采用落管无容器处理技术研究了Sb74.7Sn25.3二元过包晶合金的快速凝固,获得的合金粒子直径D介于70～1080μm之间。理论计算表明,随着粒子直径的减小,过冷度和冷却速率均呈指数关系增大,最大过冷度为298K(0.36TL)。研究发现,在自由落体条件下,快速凝固组织由初生Sb固溶体相和包晶SbSn金属间化合物相组成,Sb固溶体相以非小平面和小平面两种生长方式长大。当过冷度增大时,释放的熔化潜热增多,初生相逐渐细化,非小平面初生Sb相由"粗大枝晶"向"碎断枝晶"转变,当D<400μm时,一次枝晶臂显著变短,二次枝晶间距明显减小;同时发生溶质截留现象,初生Sb固溶体相中溶质Sn的固溶度发生了显著拓展,由ΔT=32K时的7.86%(原子分数,下同)线性增大至ΔT=298K时的10.47%。     

深过冷合金中的非平衡现象分析

深过冷技术是快速凝固技术中的一种，它能实现金属或合金在慢速冷却条件下发生快速凝固，这就为研究者研究合金快速凝固中的一些非平衡现象提供了一种新的途径，讨论了影响熔体过冷度的主要因素，介绍了获得熔体深过冷的几种主要方法，分析了深过冷熔体的非平衡现象产生的原因。     

深过冷Cu—30Ni全金单向凝固组织的力学性能

研究了过冷０－２１０Ｋ的Ｃｕ－３０Ｎｉ合金的组织演化规律。在１０５－１５５Ｋ的过冷范围内实现了自由生长枝晶的单向凝固，获得了单向凝固的单昌组织，深过冷熔体的微观净化和单向快速凝固，有效地去除了合金名的微细夹杂物，减少了宏观偏析和枝晶偏析，显著改善了材料的均匀性，在拉应国作用下材料从沿晶断裂转变为穿晶断裂。     

块体快凝金属基SiO2-B2O3玻璃复合材料制备新思路

利用玻璃相不触发过冷合金熔体形核及凝胶玻璃高温稳定性的特点，首次提出将深过冷快速凝固技术，sol-gel玻璃制备技术和合金元素界面吸附理论相结合，制备出以纳米级网状SiO2-B2O3凝胶玻璃作为增强相，具有快凝材料特性的块体金属基SiO2-B2O2玻璃复合材料的新思路。     

深过冷Fe85B15亚共晶合金晶粒的细化机制

采用熔融玻璃与循环过热相结合的方法使Fe85 B15 合金熔体获得了320K的大过冷度,并在共晶组织中获得了晶粒尺寸为100～200nm的共晶相.理论分析和实验结果表明,合金熔体的大过冷为晶粒细化提供了驱动力,而形核率和晶粒生长速度随过冷度的变化决定了晶粒的细化.实验结果为通过深过冷快速凝固技术制备块体纳米晶材料提供了新的思路和重要的实验依据.     

Al-Pb合金快速定向凝固的数值模拟

在考虑凝固界面前沿第二相液滴形核、长大以及迁移综合作用的基础上 ,提出了描述偏晶合金在快速定向凝固条件下微观组织形成过程的数学模型 ,并对Al-Pb轴承合金在垂直Bridgeman定向凝固条件下的凝固组织进化过程进行了计算分析 .结果表明 :在大的凝固速度条件下 ,凝固界面前沿存在成分过冷区 ,液 -液相分解在此区域内进行 ;在恒定的温度梯度条件下 ,凝固速度越快 ,第二相液滴的形核速率越大 ,液滴的数量密度越高 ,平均半径越小 ;凝固界面前沿液滴的平均半径 (R)与凝固速度 (v)之间存在如下指数关系 :R(z =0 ) =C2 v-0 .3 9± 0 .0 1