冷却速率对急冷Fe-Al-Nb三元合金凝固组织形成的影响

采用单辊急冷技术研究了Fe_(67.5)Al_(22.8)Nb_(9.7)三元合金的快速凝固和组织形成规律。当辊速从10 m/s增大到40 m/s时,合金条带厚度减少1个数量级,冷速增加了7倍;辊速为40 m/s时样品形状除规则条带外还出现了鱼骨状条带和球状液滴。合金显微组织由Nb(Fe,Al)_2和a-Fe组成,随着辊速增大,凝固组织特征发生变化并且显著细化。随着辊速的增大,合金条带近自由面凝固组织则由初生a-Fe相和层片共晶向碎断层片共晶转变,近辊面凝固组织始终由不规则共晶组成。辊速达到40 m/s时,规则条带完全由不规则共晶组成;合金液滴由于获得的冷速相对较低,其凝固组织主要由初生a-Fe相和层片共晶组成,且随着液滴直径的减小初生相由树枝晶向等轴晶转变。     

定向凝固过共晶合金Al-Al_2Cu的组织演化及取向分析

采用恒速及跃迁减速定向凝固方法制备了Al-40%Cu(质量分数)过共晶合金,对金属间化合物初生Al2Cu相的组织及取向演化进行了研究.结果表明,当定向凝固速率恒定为10μm/s,抽拉100 mm时,合金成分随着凝固距离的增大而减小,初生Al2Cu相枝晶由规则棱面V型转变为非棱面形貌,在抽拉距离80 mm附近消失,其生长方向由[110]方向转变为(121)晶面的法线方向;当定向凝固速率由10μm/s跃迁减速至2μm/s时,合金成分在变速界面后随着凝固距离的增大先增大后减少,初生Al2Cu相枝晶由规则棱面V型变为非棱面长条状形貌而后消失,其体积分数先增大后减少,Al2Cu相的生长方向由[110]方向转变为平行于热流方向的[001]方向.定向凝固恒速与跃迁变速下初生Al2Cu相枝晶生长机制存在异同,凝固工艺参数成为影响枝晶最终组织形态和生长方向的主要因素.     

凝固速率跃迁对定向凝固Al-40%Cu过共晶合金初生Al_2Cu相的影响

采用高温度梯度定向凝固装置进行了Al-40%Cu(质量分数)过共晶合金的定向凝固实验,研究了凝固速率跃迁过程中的凝固组织演变.结果表明,当定向凝固速率从10μm/s跃迁减速到2μm/s时,由于固/液界面附近的液相成分向共晶点成分变化以及耦合共晶组织的界面生长温度高于初生Al_2Cu相的界面生长温度,合金凝固组织从初生Al_2Cu枝晶和Al/Al_2Cu共晶组织转变为全耦合层片共晶组织.组织转变过程中,板条状的初生Al_2Cu相先分解成小尺寸的初生相,然后小的初生相逐渐被共晶组织所取代,这种组织转变是凝固界面前沿液相中溶质扩散不足造成的,而不是由合金中存在的热及溶质对流引起的.在初生相生长形态中,由于凝固速率跃迁引起的界面前沿液相中Cu成分富集,造成凝固界面生长温度升高,Jackson因子α变小,Al_2Cu初生相由小平面相向非小平面相转变.     

自由落体条件下Fe-23%Mo-27.5%Si三元包共晶合金的快速凝固

采用落管无容器处理技术实现了Fe-23%Mo-27.5%Si三元包共晶合金的快速凝固,获得直径为100~1 200μm的合金粒子。研究发现,室温下凝固组织由包共晶组织和三相共晶组织[FeSi相+τ(1Fe5Mo2Si5)+MoSi2相]组成。随着粒子直径的减小,初生FeSi相由粗大枝晶变为碎断枝晶,进一步变成不规则的粒状晶粒;共晶胞体积变小,其形貌由层片状变为涡旋圈状。理论计算表明,随着液滴直径的减小,过冷度和冷却速率呈指数关系增大,试验中获得的最小粒径对应的最大过冷度达到420 K(0.26T)L。     

不同冷却条件和B含量对近共晶Al-13.0%Si合金凝固组织的影响

研究了约2℃/s和10℃/s冷却条件下,Al-3B中间合金不同加入量对近共晶Al-13.0%Si合金微观组织的影响。试验结果表明,两种冷却条件下,B的加入都能够细化近共晶铸造Al-13.0%Si合金,并在一定程度上抑制初生相析出,促进共晶体形成;但在冷速增大的情况下,细化效果更加显著,对初生相的抑制也更为明显。未加B条件下,增大冷速有利于枝晶的形成;在较低冷速条件下,B的加入及含量的提高并不能使初生＆相由树枝晶转变为等轴晶,但较大的冷速使得这一转变非常明显。B加入后,形核温度TN大大升高,凝固方式由未加B时从型壁向试样中心的近似逐层凝固转变为加B后在整个试样范围内同时大量形核生长。分析认为B的加入为共晶体的形核提供了大量形核基底,导致共晶组织的细化和初生相的减少,增大冷速激发了更多潜在的形核核心,从而提高了B的细化效果和对初生相的抑制作用。     

深过冷Al_(46.2)Fe_(36.6)Ti_(17.2)包共晶合金的快速凝固及组织演变

采用落管无容器处理技术实现了Al_(46.2)Fe_(36.6)Ti_(17.2)三元包共晶合金的深过冷与快速凝固,获得直径为130~1 150μm的合金粒子,其过冷度范围为202~30 K。研究发现,在自由落体条件下,合金熔体在快速凝固过程中呈现显著的溶质截留效应,包共晶转变进行得不彻底,凝固组织中包含Fe_2Ti相、Fe Al相和τ_2相,其中Fe_2Ti相为初生相,组织呈现枝晶形貌,Fe Al相和τ_2相形成层片状包共晶组织。随着液滴直径的减小,冷却速率增加,过冷度增大,凝固组织中初生Fe_2Ti相的形貌由粗大枝晶逐渐变为细碎枝晶,一次枝晶轴长度与粒子直径呈线性减小关系;包共晶组织由长条状层片变为球状胞,并且层片间距呈指数型减小。     

过冷Fe_(82)B_(17)Si_1合金的再辉效应模拟及组织演化

通过熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法获得过冷度ΔT=6~280 K范围内的Fe82B17Si1共晶合金的凝固组织演变;结合突变方程和JMAK模型拟合凝固过程的冷却曲线,拟合结果符合Fe82B17Si1共晶合金的组织类型及形态随过冷度的变化规律.结果表明,当6 K≤ΔT75 K时,Fe82B17Si1合金中形成了复杂规则共晶及准规则共晶组成的混合共晶组织;当75 K≤ΔT180 K时,凝固组织由混合共晶组织和深过冷非规则共晶组织组成;当180 K≤ΔT250 K时,凝固组织由不同含量的初生a-Fe相和枝晶间深过冷非规则共晶组织组成;当ΔT250K时,凝固组织为完全非规则共晶组织.     

PdW20包晶合金的凝固组织及相选择

考察了凝固速率在50~1.8×103μm/s范围内的PdW20合金凝固组织及凝固速率对微观组织形态和领先相的影响。结果表明,三种不同凝固条件下的凝固组织由初生W相、包晶(Pd)相和固溶体Pd相组成。随着凝固速率增大,合金组织从树枝晶转变成等轴晶,晶粒大小快速减小。合金组织存在显微偏析,并且随着凝固速率增大,晶内与晶界上的成分差值减小。在3.2×102μm/s凝固速率下,观察到领先相W在进行包晶反应时不完全,还有部分W剩余。     

近平衡与亚快速凝固条件下K424高温合金组织演化规律研究

采用差示扫描量热仪与铜模喷铸技术,研究了较宽冷速(0.17~100 K/s)范围内K424镍基高温合金的近平衡与亚快速凝固行为。利用光学显微镜、扫描电镜及能谱分析仪对不同冷速作用下K424合金γ基体相、γ′沉淀相、MC碳化物及共晶组织进行了表征,并对平均二次枝晶间距进行了定量分析。结果表明：冷速的提高有效细化了初生γ相,二次枝晶间距由0.17 K/s时的84 μm显著下降到100 K/s时的5 μm, 同时导致γ′沉淀相的析出时间缩短,平均晶粒尺寸下降。亚快速凝固条件下所形成的过饱和固溶体在后续加热过程中发生沉淀相析出。枝晶组织的细化与溶质截留的发生,降低了凝固过程中成分偏析,有利于γ+γ′共晶相及碳化物尺寸的下降。     

近平衡与亚快速凝固条件下K424高温合金的组织演化规律

采用差示扫描量热仪与铜模喷铸技术,研究了较宽冷速(0.17~100 K/s)范围内K424镍基高温合金的近平衡与亚快速凝固行为。利用光学显微镜、扫描电镜及能谱分析仪对不同冷速作用下K424合金的γ基体相、γ′沉淀相、MC碳化物及共晶组织进行了表征,并对平均二次枝晶间距进行了定量分析。结果表明:冷速的提高有效细化了初生γ相,二次枝晶间距由0.17 K/s时的84μm显著下降到100 K/s时的5μm,同时导致γ′沉淀相的析出时间缩短,平均晶粒尺寸下降。亚快速凝固条件下所形成的过饱和固溶体在后续加热过程中发生沉淀相析出。枝晶组织的细化与溶质截留的发生,降低了凝固过程中成分偏析,有利于γ+γ′共晶相及碳化物尺寸的减小。     

Fe-18.5％Mo-28.5％Si三元共晶合金的快速凝固研究

采用落管无容器处理和单辊急冷技术研究了三元Fe-18.5％Mo-28.5 ％Si共晶合金的深过冷快速凝固.结果表明,快速凝固合金的微观组织均由MoSi2、τ1(Fe5 MoSi4)和FeSi 3相组成.在自由落体条件下,随着液滴直径的减小,合金的凝固组织由两种二相共晶(MoSi2+τ1)和(MoSi2+ FeSi)向细小不规则的3相(MoSi2+τ1+FeSi)共晶转变;而在单辊急冷快速凝固条件下,三元共晶的凝固组织则以柱状晶为特征.随着冷却速率的增大,三元共晶组织都发生了显著的细化.     

时效5年的触变成形ZA27合金微观形貌观察

通过OM、SEM和XRD,对触变成形并经5年自然时效的ZA27合金的微观组织进行了观察。结果表明：ZA27合金是由富Al枝晶和枝晶间的共晶组织组成。经触变成形和自然时效后的ZA27合金由球状初生粒子α′相、晶间的二次凝固组织及半固态成形时没有凝固完全的小液池组成。共晶方式主要为离异共晶及其中“蜂窝”状棒状共晶,部分区域出现不规则层片共晶组织。ZA27合金通过随后的冷却和自然时效过程,经过了一系列的相变,β相发生胞状分解,形成规则的共析（α＋η）层片组织或是不规则的复杂形状组织,从一些层片区域逐渐向低铝的α′相区域中心生长为粗大的层片组织,当其生长被α′相中心的连续分解所阻挡时,致使其芯部形成细小的（α＋η）颗粒组织。     

急冷条件下Ni-Pb偏晶合金的相分离研究

采用单辊法实现了Ni-Pb偏晶合金的快速凝固,分别制备出直径40～400μm的合金粒子和宽约4mm、厚30～50μm的合金条带.在急冷快速凝固条件下,Ni-8%Pb亚偏晶合金由Ni和富Pb相组成.Ni以枝晶方式生长,富Pb相分布于枝晶间隙.随着冷却速率的增大,凝固组织显著细化,晶体形态经历由粗大枝晶向细小等轴晶的转变.在快速凝固过程中,Ni-60%Pb过偏晶合金的液相分离在很大程度上被抑制,合金粒子和条带均可获得均匀弥散的快速凝固组织.在冷却速率相近的条件下,合金粒子和条带的凝固组织与晶粒尺寸具有相似相近性,冷却速率是决定合金凝固组织的本征物理参量.     

定向凝固恒速和跃迁加速下Cu-12.58%Mg过共晶合金的凝固组织演变

在定向凝固恒速和跃迁加速下,研究了Cu-Cu2Mg过共晶合金中Cu2Mg初生相和共晶组织的变化。结果表明,在定向凝固速率5～100μm／s下,Cu2Mgg初生相领先共晶组织生长,生长方向与定向凝固方向一致,界面形态从侧枝较少的树枝晶变为间距较小的细枝晶形态。在定向凝固速率从2μm／s跃迁加速到20μm／s下,生长Cu2Mg初生相枝晶有的被抑制停止生长,有的出现细化,面共晶组织细化是通过层片中Cu相分枝进行的。研究表明,通过定向凝固跃迁加速工艺方法,可使Cu—Cu2Mg共晶组织层片间距更加细化。     

两种典型Al-Cu及Ni-NbC共晶合金的定向凝固组织演化

利用垂直Bridgman法结合液态金属冷却法在恒定的液相温度梯度,凝固速率由2μm/s到490μm/s之间对Al-40%Cu合金进行定向凝固实验,凝固速率由5μm/s到100μm/s之间对Ni-11%NbC合金定向凝固。结果表明:Al-38%Cu合金定向凝固下的组织为耦合的片层共晶和少量的领先相的混合结构,随着凝固速率的逐步提高,共晶界面形态由平界面向胞界面转化,且领先相为非小晶面方式生长。Ni-11%NbC合金定向凝固下的组织为全耦合生长的棒状共晶,当凝固速率有一定幅度的提高时,平界面将会失稳。且初生相为典型的小平面生长方式。采用成分过冷理论计算这两种合金系的临界平界面速度,理论和实验较为符合。     

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。     

冷却速度对过共晶铝硅合金凝固组织和耐磨性能的影响

试验研究了在不同的冷却速度下凝固的Al-20%Si和Al-30%Si(质量分数,下同）合金的组织和耐磨性。实验结果表明,冷却速度对过共晶铝硅合金的凝固组织和耐磨性能有显著的影响。随着冷却速度的增加,Al-20%Si和Al-30%Si合金的凝固组织组成,初生硅的形貌和尺寸都发生明显的变化：冷却速度小于0．1K/s 的炉冷试样和冷却速度小于1K／s耐火砖型铸造试样的凝固组织由（α＋Si)共晶和初生Si相组成,初生Si相呈粗大的片状,共晶Si呈针状;冷却速度约10K/s的金属型铸造试样的凝固组织由（α＋Si)共晶,枝晶状α相和初生Si相组成,初生Si相为块状或长条状,共晶Si呈细小的针状,并且凝固组织中出现的枝晶状α相;凝固速度为（10^3-10^5)K/s的过喷粉末的凝固组织也是由（α＋Si)共晶,枝晶状α相和初生Si相组成,初生Si相为块状,而喷射沉积快速凝固Al-20%Si和Al-30%Si合金的沉积组织都是由Si相和α相组成,细小的Si相均匀分布在α基体中。随着冷却速度的增加,Al-20%Si和Al-30%Si合金的凝固组织中初生硅的尺寸明显减少,磨损机制发生变化,合金的耐磨性显著增加。     

冷却速度对Al-3Fe合金凝固特性和微观组织的影响

采用冷却曲线测定、光学显微镜(OM)和X射线衍射仪(XRD)研究了冷却速度对Al-3Fe合金凝固特性和凝固组织的影响。结果表明,在冷却速度为0.69~11.8℃/s的范围内,Al-3Fe合金的显微组织均由α-Al枝晶、初生富Fe相及枝晶间的共晶组织组成,其中富Fe相主要为Al₃Fe、Al₅Fe₂和Al₆Fe相。冷却速度对Al-3Fe合金的凝固特性和凝固组织有明显的影响。随着冷却速度的提高,合金初生相形核温度和共晶反应温度降低,合金的凝固组织明显细化。     

亚快速凝固工艺对Al-8Ca合金组织与性能的影响

通过铁模和铜模铸造,配合粒状化处理制备了Al-8Ca合金,分析了合金显微组织、相组成和力学性能,研究了不同凝固速度及热处理对Al-8Ca铝合金组织性能的影响。结果表明,Al-8Ca合金在不同冷却速度下凝固,显微组织中少量初生α-Al呈树枝状,共晶组织呈层片状,由α-Al和A14Ca相组成。随着冷速提高,树枝状α-Al变小,晶粒细化,层片间距减小,高冷速下形成过饱和固溶体。扩散退火处理后共晶组织熔断,向颗粒状转变,有加粗趋势。     

自由落体条件下Ti-6Al-4V合金微液滴的快速凝固研究

在自由落体条件下实现了Ti-6Al-4V合金微液滴的深过冷与快速凝固,研究了合金的相组成、凝固组织和显微硬度。计算出落管中不同直径微液滴的过冷度和冷却速率,揭示了Ti-6Al-4V合金凝固组织随过冷度及冷却速率的变化规律。结果表明,深过冷与快冷速的耦合作用使凝固组织不断细化且形貌发生转变:层片α+β→枝晶α→网篮状α'+β→针状α'→针状α'+不规则β。当液滴直径小于400μm时,位于原始等轴β晶的晶界及晶内的针状马氏体α'转化为大量连续分布且形状不规则的次生β相,发生α'→β固态转变。不同直径范围内的Ti-6Al-4V合金凝固组织的显微硬度与组织形貌有关,"层片组织"、"针状α'组织"和"针状α'+不规则β组织"的显微硬度随液滴直径的减小而增大,"网篮组织"的显微硬度随液滴直径的减小而减小。其中,枝晶组织的显微硬度可高达785 kg/mm~2,是母合金硬度的2.6倍。