探究二元共晶的生长过程:实时原位观察、数值模拟与解析解研究

由定向凝固法在一定凝固速度范围内制备得到的共晶通常为层状或棒状结构共晶。层状和棒状二元共晶合金具有优良的物理、化学和力学性能,被广泛应用于航空航天和汽车等领域,应用前景广阔。值得指出的是共晶合金已被应用于飞机发动机的涡轮叶片。近几十年来,国内外研究人员已经从共晶生长的实时原位观察实验、数值模拟和解析解计算三个方面展开了大量研究。共晶间距对共晶合金的性能具有显著影响,进而影响共晶合金在实际中的应用。在共晶生长过程中,工艺参数如凝固速度、共晶成分、固相体积分数、温度梯度、合金的初始浓度等是共晶间距的重要影响因素。此外,共晶形貌受共晶生长的稳定性和相界各向异性的影响。因此,研究人员在进行共晶生长的实时原位观察实验、数值模拟和解析解计算时主要关注工艺参数对共晶间距和共晶形貌的影响规律。大量的实时原位观察实验和数值模拟的研究结果表明,当凝固速度和合金的初始浓度增大时,层状共晶或棒状共晶间距减小。共晶成分发生变化时,共晶结构在层状和棒状之间发生转变。此外,共晶结构的转变条件依赖于α和β固相体积分数,当α和β两固相体积分数相差较大时,共晶倾向于形成棒状结构。当α和β两固相体积分数相接近时,共晶倾向于形成层状结构。同时,研究人员已经建立了共晶生长的数学模型并使用数学方法计算获得了共晶生长的解析解,进而研究了工艺参数对界面形貌和临界共晶间距的影响规律。本文从定向凝固条件下层状共晶和棒状共晶生长的实时原位观察的实验研究、数值模拟和解析解计算三方面分别阐述了工艺参数对共晶间距和共晶形貌的影响规律;重点阐述了在层状共晶和棒状共晶生长过程中,工艺参数如凝固速度、共晶成分和固相体积分数对共晶间距的影响规律;概述了相界的各向异性及共晶生长的稳定性对共晶形貌的影响规律。此外,对一种特殊的二元棒状共晶生长的实时原位观察和解析解计算进行了介绍,指出了目前该研究领域存在的一些问题,并对未来的研究工作进行了展望。