快速凝固Fe62.1Sn27.9Si10合金的分层组织和偏晶胞形成机理

采用自由落体和单辊急冷技术研究了三元Fe_62.1Sn_27.9Si₁₀偏晶合金的相分离和组织形成规律,理论分析了两种快速凝固条件下合金的传热特性.自由落体条件下,由于Marangoni迁移和表面偏析势的作用,液滴凝固组织主要形成富Sn相包裹富Fe相的两层壳核结构.随着液滴直径减小,冷却速率和温度梯度增大,促进偏晶胞快速生长.在单辊急冷条件下,随着辊速的增大,冷却速率从1.1×10⁷增大至6.5×10⁷ K/s,合金熔体内部的液相流动和相分离受到抑制,凝固组织发生"九层结构→两层结构→无分层结构"的转变.同时,凝固过程中FeSn+L₂→FeSn₂包晶反应受到抑制,形成与自由落体条件下不同的相组成.EDS分析显示,αFe相在快速凝固过程中发生显著溶质截留效应. 关键词： Fe-Sn-Si偏晶合金 相分离 快速凝固 溶质截留     

二元合金高速定向凝固过程的相场法数值模拟

利用相场法对二元合金高速定向凝固过程进行了模拟，为简化计算，采用了温度冻结近似.模拟了定向凝固时平界面失稳、界面形态演化、溶质浓度分布以及高速绝对稳定性条件下胞晶向平面晶的转变等，得到了不同抽拉速度下胞晶间距、胞晶尖端温度以及有效溶质分配系数等参数，显示了高速生长条件下的溶质截留效应. 关键词： 定向凝固 相场法 高速绝对稳定性 溶质截留     

深过冷三元Ni-Cu-Co合金的快速枝晶生长

研究了深过冷条件下三元Ni₈₀Cu₁₀Co₁₀合金的快速枝晶生长, 采用电磁悬浮无容器处理方法获得了335 K(0.2T_L)的最大过冷度. X射线衍射分析与差示扫描量热分析均表明,凝固组织为α-Ni单相固溶体. 随过冷度增大, 凝固组织显著细化, 并且当过冷度达110 K时，凝固组织的形态由粗大形枝晶转变为等轴晶. 深过冷条件下溶质截留效应增强, 使得微观偏析程度减小. 对不同过冷度下合金枝晶的生长速度进 关键词： 深过冷 枝晶生长 快速凝固 溶质截留     

界面能各向异性对定向凝固枝晶生长的影响

采用元胞自动机 (cellular automaton, CA) 模型研究了界面能各向异性对二维定向凝固枝晶生长的影响. 模拟结果显示当晶体的择优生长方向与热流方向一致时, 随着界面能各向异性强度的增大, 凝固组织形态由弱界面能各向异性时的海藻晶转变为强界面能各向异性时的树枝晶. 同时, 界面能各向异性强度会影响稳态枝晶尖端状态的选择, 界面能各向异性越强, 定向凝固稳态枝晶尖端半径越小, 尖端界面前沿的液相浓度和过冷度越小. 稳态枝晶生长的尖端状态选择参数与界面能各向异性强度也存在标度律的指数关系, 而枝晶一次间距则受界面能各向异性强度影响较弱. 当晶体的择优生长方向与热流方向呈-40°夹角时随着界面能各向异性强度的增大, 凝固组织形态由海藻晶逐渐转变为退化枝晶, 后又逐渐转变为倾斜枝晶. 关键词： 元胞自动机 枝晶 界面能各向异性     

急冷条件下Cu-Pb偏晶合金的相分离研究

研究了Cu-Pb偏晶合金的急冷快速凝固和组织形成规律，并通过将金属熔体的热传导方程和Navier-Stokes方程相耦合, 理论分析了合金熔体的冷却速率、液固相变时间等物理参量与液相分离之间的相关性. 研究结果表明，在急冷快速凝固条件下，熔体的快速冷却对偏晶合金组织形成的影响要比熔体内部液相流动的影响更为显著. 快速凝固使液相分离受到抑制，Cu-Pb偏晶合金均可获得均匀的微观组织结构. 随着冷速的增大，晶粒尺寸明显减小，凝固组织显著细化，晶体形态由粗大枝晶向均匀细小的等轴晶过渡. 提高冷却速率，缩短液固相变时间是重力场中抑制液相分离、获得均匀偏晶组织结构的重要条件. 关键词： 偏晶合金 快速凝固 液相分离 微观结构     

枝晶生长和气泡形成的数值模拟

本文建立了二维的格子玻尔兹曼方法-元胞自动机(lattice Boltzmann method-cellular automaton, LBM-CA)耦合模型, 对凝固过程中枝晶生长和气泡形成进行模拟研究. 本模型采用CA方法模拟枝晶的生长, 根据界面溶质平衡法计算枝晶生长的驱动力. 采用基于Shan-Chen多相流的LBM模拟气泡在液相中的生长和运动. 在LBM-CA的耦合模型中包含了固-液-气三相之间的相互作用. 应用Laplace定理和模拟气-液-固三相之间的润湿现象对模型进行了验证. 应用所建立的LBM-CA耦合模型模拟研究了气-液相互作用系数对单气泡生长的影响. 发现单气泡的生长速度和平衡半径随气-液相互作用系数的增大而增大. 定向凝固过程中枝晶和气泡生长的模拟结果再现了枝晶的择优生长、 气泡的优先形核位置、气泡的长大、合并、在枝晶间受挤变形以及在液相通道中的运动等物理现象, 与实验结果符合良好. 此外, 初始气体含量越高, 凝固结束时气泡的体积分数也相对较高. 本模型的模拟结果可以揭示在凝固过程中气泡形核、 生长和运动演化以及与枝晶生长相互作用的物理机理.     

各向异性表面张力对定向凝固中深胞晶生长的影响

利用匹配渐近展开法和多变量展开法求出定向凝固深胞晶生长的浓度场和界面形态的全局渐近解,研究各向异性表面张力对定向凝固深胞晶生长的影响.结果表明,各向异性表面张力对定向凝固过程深胞晶生长有显著的影响.随着各向异性表面张力增大,胞晶前端部分浓度减小而胞晶界面收缩;胞晶根部的浓度增大而界面曲率增大或根部的曲率半径减小,各向异性表面张力使得深胞晶界面振幅增加.本文结果能够计算定向凝固过程中深胞晶生长的浓度、界面形态.     

浓度相关的扩散系数对定向凝固枝晶生长的影响

采用定量相场模型模拟了定向凝固过程中浓度相关的扩散系数对枝晶生长的影响.模型中,通过在液相溶质扩散方程中耦合浓度相关的扩散系数实现了浓度依赖的扩散过程.一系列模拟结果证实了浓度相关的扩散过程对枝晶定向生长具有显著的影响.结果表明:溶质扩散系数对溶质浓度耦合强度的增加会增强枝晶间的溶质扩散对尖端排出的溶质原子横向扩散的抑制作用,造成枝晶尖端固-液界面处的溶质富集程度增加,从而增加尖端过冷度;液相中扩散系数的改变对枝晶的尖端半径影响较小,模拟结果与理论模型计算结果较好吻合;液相中溶质扩散系数对溶质浓度依赖性的增加会使侧向分枝的振幅逐渐减小;在对枝晶列的研究中发现,与溶质浓度相关的扩散系数会增加枝晶列的一次间距,降低稳态枝晶的尖端位置.因此,在浓质分配系数严重偏离1的体系中,对现有模型的定量实验检验应考虑浓度相关的扩散对尖端过冷度的影响.     

Ti-45at.% Al合金定向凝固过程中显微组织演化的计算机模拟

采用基于溶质扩散控制模型CA方法对Ti-45at.% Al合金定向凝固过程中显微组织演化过程进行了数值模拟.模拟结果表明,在温度梯度较高时,初生晶核间距无论大小,均可通过分枝或竞争生长而使一次胞晶/枝晶间距得到调整.在抽拉速度一定情况下,随着温度梯度增加,胞晶/枝晶间距减小,在温度梯度一定情况下,随着抽拉速度增大,观察到胞晶/枝晶混合结构,混合结构区随温度梯增大而增大,模拟结果与实验观察相符合. 关键词： Ti-45at.% Al合金 定向凝固 组织演化 数值模拟     

重力及微重力条件下Pd_(40)Ni_(40)P_(20)合金凝固组织中溶质原子的分布特征

研究了Ｐｄ４０Ｎｉ４０Ｐ２０合金在重力（１ｇ）及微重力（μｇ）条件下凝固组织中溶质原子的分布．与重力条件相比，微重力条件下凝固的样品组织中，初生相的Ｐ含量较低，而Ｐｄ的含量较高；共晶区域内的平均Ｐ含量较高而平均Ｐｄ含量较低．深入分析初生树枝晶一次枝晶间距Ｌ与冷却率υ以及固液界面前沿液相中溶质综合输运系数Ｄ的相互关系，发现地面条件下的固液界面前沿液相中溶质综合输运系数Ｄ１ｇ比空间的Ｄμｇ大１７倍．这是造成显微组织中溶质分布差异的主要原因     

FeSi2合金在高压下的凝固

研究了压力对FeSi2合金凝固组织的影响.与常压下凝固的典型共晶组织不同，高压条件下的凝固组织为初生ε相树枝晶加离异共晶.高压下凝固组织的变化主要是与压力对相图的影响和对凝固过程中溶质原子扩散的影响有关.通过引入压力参量，推导了高压凝固过程中的成分过冷判据，并应用该判据分析了高压凝固树枝晶组织的形成机理. 关键词： 高压 凝固 FeSi2     

切向流动作用下SCN-3wt% H2O枝晶定向生长过程研究

实时观察了切向流动作用下SCN-3wt% H₂O合金的定向凝固过程,研究了该合金枝晶生长方向、尖端半径、枝晶一次臂间距以及二次臂生长速度的变化规律.实验观察到能够代表枝晶尖端溶质边界层的“亮带”,该亮带在流动作用下的非对称性证实了切向流动能够改变枝晶前沿溶质的对称分布,使溶质边界层厚度沿背流侧向迎流侧逐渐减薄,枝晶生长发生迎流偏转,且偏转角度随抽拉速度的提高而减小.同时,流场与浓度场的耦合促进枝晶间的优胜劣汰,枝晶一次臂间距显著增大.固液界面处的强迫流动还能够引发相邻枝晶间环流,加速迎流处二次臂生长而抑制背流处生长. 关键词： 定向凝固 枝晶生长 切向流动     

Fe-Pb合金凝固多相体系内偏析形成过程的三维数值模拟

基于Eulerian-Eulerian方法和流体体积技术,建立了三维多相流体动力学凝固模型,并将其与质量、动量、溶质和热焓守恒方程相耦合,对Fe-Pb合金侧向凝固过程进行了数值模拟.首先,分析了分布面积二次梯度((SPb))和浓度二次梯度((CPb))对偏析模式的影响,结果表明:液、气两相的流动相变使偏析模式表现为上端X形下端V形,X偏析由气相相变驱动力和多取向相变作用下的"散射"形成;ttc时,随(SPb)和(CPb)曲线降低,X偏析的下偏析角增大,上偏析角和V偏析角减小,Pb收得率增大,有利于获得含量稳定弥散的凝固组织.此外,还研究了液、气两相交互流动下通道偏析的形成机理,结果表明:通道偏析仅存在于流动-相变交互作用(ul·cl和ug·cg)为负值的区域,该区域的流动扰动抑制合金的局部凝固,促进偏析通道生长;流动-相变交互作用负值越小,偏析通道持续增长越稳定.模拟结果与实验结果相符合,验证了模型的准确性.     

各向异性作用下合金定向凝固界面稳定性的渐近分析

采用渐近分析方法对考虑了界面能各向异性的单相二元合金平界面定向凝固过程进行了线性稳定性分析,得到了特定条件下的零级、一级渐近解,并通过对长波段渐近解的讨论得出了适用于整个波段的色散关系.分析表明零级渐近解等效于成分过冷理论,而一级渐近解则与M-S稳定性理论一致.在稳定状态控制参数(抽拉速度和温度梯度)的选择图中,界面能各向异性增大了不稳定区域,且在高速和高温度梯度时的影响更强. 关键词： 定向凝固 界面稳定性 渐近分析 各向异性     

单相合金凝固过程时间相关的界面稳定性(I)理论分析

对定向凝固界面前沿非稳态溶质扩散场进行了系统的对比分析，发现无论在纯扩散还是存在对流的情况下，界面前沿的溶质扩散场通常满足指数分布的形式，可以采用一个统一的公式来描述界面前沿的瞬态溶质扩散场.进而在此基础上，对定向凝固界面形态稳定性进行了统一的时间相关的非稳态分析，发现界面临界稳定性条件的数学描述形式与Mullins和Seker ka理论给出的稳态解完全一致, 只是用时间相关的浓度梯度GtC、界面速度Vi、溶质扩散长度l代替了稳态生长中所得到的GC,V，DL/V.     

液相对流对定向凝固胞/枝晶间距的影响

采用类金属透明模型合金丁二腈-1.8 wt%丙酮(SCN-1.8 wt%Ace)合金, 研究了平行于生长界面前沿的液相对流对定向凝固胞/枝晶生长行为及胞/枝晶间距的影响. 对于胞晶生长, 在液相对流作用下, 其尖端将会出现分岔, 使得胞晶间距减小, 并且液相对流流速越大, 胞晶尖端分岔越明显, 胞晶组织越细小, 胞晶间距越小. 至于枝晶生长, 其生长行为与胞晶不同. 当抽拉速度较小时, 液相对流作用下枝晶两侧三次臂的生长速度将会超过枝晶尖端生长速度, 形成新的枝晶列, 使得枝晶一次间距减小, 并且液相对流流速越大枝晶一次间距越小; 当抽拉速度较大时, 液相对流作用下迎流侧二次臂生长发达,且会抑制上游枝晶生长, 使得枝晶一次间距增大, 并且液相对流越强枝晶一次间距越大. 关键词： 定向凝固 胞晶间距 枝晶间距 液相对流     

切向流动对偏晶合金定向生长机理的影响

研究了静态和切向流动作用下对二氯苯-丁二腈(DCB-SCN)偏晶合金的定向凝固过程.实验结果表明,静态条件下,DCB以小平面相方式生长,随着抽拉速度的提高,DCB-SCN偏晶凝固组织形貌发生液/固两相完全分离组织-规则纤维状共生组织-不规则弥散组织转变.施加切向流动作用后,DCB生长晶面出现胞状扰动,并且偏晶共生纤维间距随流速的增高而变大,但对于同一流速,仍然满足λV^0.5=常数.同时,切向流动能够细化弥散偏晶组织中第二相颗粒尺寸,这主要缘于流动引发的固液界面形态变化能     

液态Ti-Al合金的深过冷与快速枝晶生长

采用电磁悬浮和自由落体两种试验技术研究了液态Ti-25 wt.%Al合金的亚稳过冷能力、晶体形核机制和枝晶生长过程. 试验发现, 即使电磁悬浮无容器状态下仍难以消除润湿角θ ≥60°的异质晶核, 合金熔体过冷度可达210 K (0.11T_L). β-Ti相形核的热力学驱动力随过冷度近似以线性方式增大, 其枝晶生长速度高达11.2 m/s, 从而在慢速冷却条件下实现了快速凝固. 理论计算表明, 随着过冷度的逐步增大, β相枝晶生长从溶质扩散控制转变为热扩散控制. 当过冷度超过100 K时, 非平衡溶质截留效应可使合金熔体发生无偏析凝固. 然而, 单靠深过冷状态不足以抑制β相的后续固态相变. 对于落管中快速凝固的直径77-1048 μm合金液滴, 其冷却速率最高达1.05×10⁵ K/s, 深过冷与快速冷却的耦合作用能更有效地调控凝固组织形成过程.     

各向异性表面张力对深胞晶界面形态稳定性的影响

应用匹配渐近展开法和多变量展开法研究各向异性表面张力对定向凝固中深胞晶界面形态稳定性的影响, 通过寻找定向凝固系统的模式解获得了深胞晶界面形态满足的量子化条件. 结果表明, 与各向同性的定向凝固系统中深胞晶界面形态稳定性比较, 考虑各向异性表面张力的定向凝固中深胞晶生长界面形态也有两种整体不稳定性机制: 整体波动不稳定性和低频不稳定性. 随着各向异性表面张力的增加, 中性模式产生强振荡的枝晶结构的整体波动不稳定性的不稳定区域减小, 中性模式产生弱振荡的胞晶结构的低频不稳定性的不稳定区域增加.     

单相合金凝固过程时间相关的界面稳定性(Ⅰ)理论分析

对定向凝固界面前沿非稳态溶质扩散场进行了系统的对比分析，发现无论在纯扩散还是存在对流的情况下，界面前沿的溶质扩散场通常满足指数分布的形式，可以采用一个统一的公式来描述界面前沿的瞬态溶质扩散场．进而在此基础上，对定向凝固界面形态稳定性进行了统一的时间相关的非稳态分析，发现界面临界稳定性条件的数学描述形式与Mullins和Sekerka理论给出的稳态解完全一致，只是用时间相关的浓度梯度GC^1,界面速度Vi、溶质扩散长度l代替了稳态生长中所得到的GC，V，DL／V．