高温超导YBCO的定向凝固

讨论了YBCO高温超导体定向凝固中所涉及的包晶反应、界面稳定性及其形态控制、凝固取向和晶向控制等问题。并提出了定向凝固中应该注意的问题。     

包晶合金的定向凝固与生长

综述了包晶合金定向凝固中包晶相的形核与生长机制，讨论了利用最高界面生长温度假设以及成分过冷和充分形核判据下包晶合金的微观组织与相选择规律，对包晶相的3种生长机制进行了分析，并在Sn-Cu包晶合金定向凝固实验中发现其包晶反应不仅存在于凝固界面处，在后续冷却过程中也能进行，最后针对国内外包晶合金定向凝固研究的现状，提出了其需要进一步研究的问题。     

Cu-55Sn亚包晶合金的定向凝固组织研究

考察了定向凝固速率在0．5～100μm／s范围内的Cu-55Sn亚包晶合金凝固组织及凝固速率对微观组织形态、界面温度及相含量的影响。结果表明，定向凝固组织由初生ε相、包晶η相和共晶体（η＋sn）组成。定向凝固速率在0．5～1．0μm／s范围内时，初生相连为一体，包晶相呈块状嵌于初生相内；当凝固速度大于5μm／s，组织为常见的包晶η相包裹ε相的板条状，其中ε相为领先相，不能形成ε相和η相等温界面的耦合生长，与最高界面生长温度假设的分析相一致。定向凝固过程中包晶转变不明显，包晶η相大部分由液相直接凝固而成，并且随冷却速度增大，凝固时间减少，包晶相含量先增后减，在10μm／s附近出现极值。     

限制定向凝固法制备YBCO超导体单畴生长的分析

采用定向凝固技术可获得高临界电流密度的YBCO样品。本文研究了YBCO试样在定向凝固过程的融化生长阶段所出现的停止生长现象，并分析了YBCO块材生长前沿的形态和化学成分。结果表明：当生长前沿液相中Y和Ba消耗殆尽而富Cu时，YBCO晶体的生长就会停止；为连续生长具有一定取向的YBCO样品或大块YBCO超导体，需要将融化生长过程中生长前沿的液相成分调整为富Y和Ba的成分。     

YBCO的生长取向及定向凝固机制研究

利用定向凝固技术制备了取向良好的YBCO棒材,其a-b晶面与提拉方向的夹角小于5°.为研究YBCO生长的各向异性及其定向凝固机制,分别通过空淬及炉冷的方式获取了熔体生长的YBCO晶粒形貌及固液界面形貌.YBCO晶粒呈现片层状结构,其长厚比约为2～5.晶体生长的固液界面清晰反映出了外延生长的特征.基于上述结果,讨论了YBCO的定向凝固机制,认为YBCO的定向凝固是由择优生长及外延生长两阶段构成,这很好地解释了本文的试验结果.     

包晶合金定向凝固中的共生生长

对包晶合金定向生长特性进行分析，并与共晶系经典共生生长模型（Jackson-Hunt模型）所描述的共生生长特性进行对比，提出包晶稳态过热共生生长模型，同时以Fe-Ni合金系为对象，对其亚包晶和过包晶成分在不同温度梯度G和生长速度1，下进行定向凝固实验及组织分析。研究结果表明：在定向凝固条件下，包晶系两相严格的共生生长只有在进入稳态且温度高于包晶相变温度时才可能进行；包晶合金两相的共生生长尤其在G／v值高的平／胞界面形态，确实发生在Tp温度以上，与提出的模型所预测的一致。     

包晶合金定向凝固平界面前沿的形核分析

利用成分过冷和充分形核判据以及定向凝固中相稳定生长的最高界面温度假设，在包晶合金定向凝固初始过渡区及其之后两相低速平界面凝固时建立了初生相和包晶相界面前沿发生第二相形核转变所满足的成分条件，确定了不同凝固距离下出现两相平界面凝固带状组织的成分区间。Fe-Ni和Pb-Bi包晶合金理论计算结果与现有的实验结果进行了对比，两者吻合较好。     

Zn-Cu包晶合金定向凝固组织演化Ⅰ.实验现象及分析

对亚包晶、过包晶以及接近包晶点成分的Zn-Cu二元合金进行了定向凝固实验，研究其在45K／mm的温度梯度以及2-6400μm／s凝固速度下的组织选择及演化规律，发现Zn-2％Cu的低速凝固组织为η相单相生长，高速下为η相胞晶 胞晶间ε相的组织；Zn-2．7％Cu，Zn-3％Cu以及Zn-4％Cu的低速凝固组织为η相基体 ε相定向枝晶，高速凝固组织为η相胞晶 ε相等轴晶．基于最高界面生长温度判据，在充分形核假设下对凝固过程中的相选择规律进行了分析，并与实验结果较好的吻合。     

Pb-Bi包晶合金定向凝固微观组织演化

对Pb-(26,28,30,34)Bi(质量分数,%,下同)包晶合金进行平界面生长的低速定向凝固到枝晶状生长的高速定向凝固实验,研究了Pb-Bi包晶合金的微观组织形成及其演化。实验结果表明,在温度梯度G=30K/mm条件下,当凝固速度V=0.25μm/s时,初生α相和包晶β相均以平界面生长,凝固组织的演化过程为:单相初生α相→两相竞争组织→β单相。V=0.5μm/s时,定向凝固组织的演化过程为:单相初生α相→胞状α相+胞间包晶β相→α+β两相竞争组织→β单相。在G=20K/mm条件下,当凝固速度V=1μm/s时,初生α相以胞状领先生长,包晶β相则在胞状α间形核生长,并包裹住α胞。当凝固速度增加至V≥2μm/s时,初生α相由胞状转变为枝晶状,包晶β相则在枝晶间包围α枝晶。     

高温金属间化合物的定向凝固特性

高温金属间化合物是一类重要的高温结构材料，其中Ti-Al及Ni-Al等许多合金系在凝固时都存在连续的包晶反应。本文就包晶合金凝固的特性从多方面加以总结和分析。凝固过程中的包晶相变对组成相的生长与取向有不同的影响。除此之外，定向凝固包晶反应过程中，相的竞争与选择及界面形态的演化也将同时对金属间化合物的凝固组织产生重要的影响。在考虑了界面温度对生长速率的响应后，可以发现生长速度超过某一值后亚稳相将析出，而根据凝固条件不同可以以不同的凝固方式进行长大，形成如带状、浅胞状和枝／胞双相共生等形式的组织，其中共生组织更有利于提高材料的单向力学性能。虽然定性的分析已获得某些规律，但作为工程应用的具有包晶反应特点的高温金属间化合物的定向凝固研究还极不充分，需进行大量的、基础的理论与实验研究。     

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。     

含包晶体二元金属熔体的作用浓度计算模型

根据相图中出现包晶体、混合自由能和过剩自由能显负值等，分别对ＡｇＩｎ，ＡｕＢｉ和ＡｕＰｂ金属熔体制定了作用浓度计算模型。计算结果与实测值符合，从而证明计算模型可以反映相应金属熔体的结构本质，并证明大多数包晶体仍可存在于熔体中。     

定向凝固包晶合金带状组织的形成机制及相选择Ⅰ.带状组织的形成机制

对定向凝固包晶合金在不同生长条件下,初生相和包晶相分别作为单相和充分形核相以低速平界面生长时,从初始到稳态的整个过渡区间,两相在界面及界面前沿液相中的溶质分布进行了分析,利用充分形核假设和成分过冷准则以及相稳定生长的最高界面温度判据,分析了初始过渡区内可能发生的第二相形核转变,确定了形成带状组织的成分条件,考虑到相生长的历史相关性,将带状组织区分为周期性带状组织区和单一带状组织区,更能够对实验现象进行合理的解释,对Ti-Al合金的计算结果与理论分析一致。     

定向凝固包晶合金带状组织的形成机制及相选择Ⅱ.相选择

利用充分形核假设和成分过冷准则以及相稳定生长的最高界面温度判据,对包晶合金低速平界面凝固前沿尚未确立稳态成分分布的情况进行了分析,并考虑到相生长的历史相关性,建立了从初始到稳态的整个过渡区间,随凝固距离变化的相选择模型,与Hunziker模型相比,更清楚地分析了整个凝固过程中发生的相和组织形态的转变,对实验现象进行了更合理的解释,对Ti-Al合金相选择图的计算结果与理论分析一致。     

Microstructure refinement of Sn-Sb Peritectic alloy by power ultrasonic

Sn-Sb peritectic alloy was treated with 400 W, 600 W and 800 W ultrasonic, respectively, to study the effect of power ultrasonic on solidification microstructure. Results show that power ultrasonic can refine α phase and β phase of the alloy, as well as eliminate gravitational segregation. Moreover, 600 W ultrasonic demonstrated the best refining effect, not only homogenous and fine solidification microstructure can be obtained, the cubical β phase crystals can also be spheroidized.     

Ni25Al75合金快速凝固过程中的包晶反应与凝固进程

用平面流铸技术制备了Ni25Al75合金条带，利用XRD，TEM和EDS对快速凝固后的显微组织和微区成分进行了分析。研究表明，Ni—A1合金快速凝固过程中的包晶反应受到了很大程度的抑制，从而影响到快速凝固进程，造成最终相组成中出现了平衡条件下不可能出现的α(A1)，并使NiAl3相有效合金浓度和生长速度增加，导致最终相组成中NiAl3相质量分数增加。     

定向凝固包晶相变微观组织演化的相场方法研究Ⅰ.三相交节点的延伸

通过对当前包晶相变相场模型特征参数的优化,建立了适合对具体合金包晶相变微观组织演化进行模拟的相场模型．利用该模型对高Olvp定向凝固Ti—Al合金的单个包晶相核心依附初生相表面的生长行为进行了模拟．结果表明,三相交节点延伸特性的差异将导致形成离散带状和岛屿带状两种典型组织．并且,计算域宽度,包晶相形核过冷度和初始成分直接影响到定向凝固包晶合金三相交节点的延伸,也就影响到其最终的微观组织．     

定向凝固包晶相变微观组织演化的相场方法研究Ⅱ.形核控制的微观组织模拟

采用包晶相变相场模型分别模拟了高G／vp定向凝固Ti—Al合金在小直径试样的连续形核和大直径试样的多重形核情况下,包晶两相微观组织演化．模拟结果表明,对于小直径试样,减小试样尺寸或减小包晶相形核过冷度倾向于形成岛屿带状组织;而对于大直径试样,包晶相所占体积分数以及形核率的不同将导致形成离散带状、岛屿带状和耦合生长组织．