深过冷Cu60Sn30Pb10偏晶合金的快速凝固

实现了大体积Cu₆₀Sn₃₀Pb₁₀偏晶合金的深过冷与快速凝固. 实验获得的最大过冷度为173 K(0.17T_L). 凝固组织发生了明显的宏观偏析,XRD分析表明,试样上部是由固溶体(Sn),(Pb)相和金属间化合物ε(Cu₃Sn)相组成的三相区,下部为富(Pb)相区. 在小过冷条件下,三相区中ε(Cu₃Sn)相的凝固组织为粗大的枝晶,随着过冷度的增大,ε(Cu₃Sn)相细化成层片状组织,且层片间距随过冷度的增大而减小,而(Sn),(Pb)两相始终以离异共晶的方式存在. 富(Pb)相区中分布有少量的ε(Cu₃Sn)枝晶,枝晶长度随过冷度的增大而增大,且在大过冷条件下发生碎断. (Sn)相在ε(Cu₃Sn)相表面形核、长大,其形态类似于包晶凝固组织. 关键词： 深过冷 快速凝固 偏晶合金 层片组织     

快速凝固Ti-Cu-Fe合金的相组成与组织演变规律

采用落管无容器处理技术实现了Ti_61.2Cu_32.5Fe_6.3三元包共晶合金在自由落体条件下的快速凝固,获得了直径为80—1120μm液滴的凝固组织.实验中获得的过冷度范围为34—293 K,最大过冷度达0.23T_L.研究发现,在自由落体条件下,由于受到无容器、微重力、超高真空等因素的影响,合金熔体的凝固组织中包含Cu_0.8Fe_0.2Ti相、CuTi₂相和CuT₃相,显著偏离了平衡状态.Cu_0.8Fe_0.2Ti为初生相,同时又与CuTi₂相形成两相共晶;CuTi₃相则呈现枝晶形貌,并发生了明显的溶质截留效应.随着过冷度的增大,共晶组织由层片共晶向不规则共晶转变,形貌由长条状共晶团变为椭球状共晶团,最终变为球状共晶胞;Cu_0.8Fe_0.2Ti相枝晶形貌由粗大枝晶变为碎断枝晶,进一步变成不规则的粒状晶粒;CuTi₃相枝晶则由碎块状转变为完整枝晶.     

微重力条件下Cu-Zr共晶合金的液固相变研究

采用落管方法实现了液态Cu-10 wt.%Zr亚共晶、Cu-12.27 wt.%Zr共晶和Cu-15 wt.%Zr过共晶合金在微重力无容器条件下的快速共晶与枝晶生长.Cu-12.27 wt.%Zr共晶合金的凝固组织随液滴直径减小由层片规则共晶向不规则共晶转变,且层片间距减小;Cu-10 wt.%Zr亚共晶合金的初生(Cu)相随液滴直径减小由粗大树枝晶向棒状晶转变,且所占体积分数增加,部分区域形成花状凝固组织,(Cu)相枝晶辐射向外生长;Cu-15 wt.%Zr过共晶合金初生相则为金属间化合物Cu_9Zr_2相,呈条状生长,随液滴直径减小冷却速率增大,凝固组织由宏观弯曲生长向球状晶胞转变.理论计算表明,三个合金液固相变枝晶与共晶的生长均由溶质扩散控制.测定Cu-10 wt.%Zr亚共晶合金初生(Cu)相显微硬度随液滴直径减小而增大,三个合金的共晶相随合金初始成分增大而增大.     

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     

深过冷Cu60Sn30Pb10偏晶合金的快速凝固

实现了大体积Cu60Sn30Pb10偏晶合金的深过冷与快速凝固.实验获得的最大过冷度为173 K(0.17TL).凝固组织发生了明显的宏观偏析,XRD分析表明,试样上部是由固溶体(Sn),(Ph)相和金属间化合物ε(Cu3Sn)相组成的三相区,下部为富(Ph)相区.在小过冷条件下,三相区中ε(CuSn)相的凝固组织为粗大的枝晶,随着过冷度的增大,ε(Cu3Sn)相细化成层片状组织.且层片间距随过冷度的增大而减小,而(Sn),(Ph)两相始终以离异共晶的方式存在.富(Pb)相区中分布有少量的ε(Cu3Sn)枝晶,枝晶长度随过冷度的增大而增大,且在大过冷条件下发生碎断.(Sn)相在ε(Cu3Sn)相表面形核、长大,其形态类似于包晶凝固组织.     

深过冷Ag-Cu-Ge三元共晶合金的相组成与凝固特征

在Ag_38.5Cu_33.4Ge_28.1三元共晶合金的深过冷实验中，获得的最大过冷度为175 K(0.22T_E). XRD分析表明，不同过冷条件下其共晶组织均由(Ag),(Ge)和η(Cu₃Ge)三相组成. 在小过冷条件下，三个共晶相协同生长，凝固组织粗大.随着过冷度的增大，共晶组织明显细化，(Ge)相与其他两相分离，以初生相方式生长，而(Ag)相与η相始终呈二相层片共晶方式共生生长. 当过冷度超过80 K时，初生相(Ge)由小过冷时的块状转变为具有小面相特征的枝晶方式生长. 部分小面相(Ge)枝晶出现规则的花状，花瓣数介于5—8之间，并且过冷度越大(Ge)相越容易分瓣. 花状(Ge)枝晶的晶体表面为{111}晶面簇，择优生长方向为〈100〉晶向族. 关键词： 三元共晶 晶体形核 深过冷 快速凝固     

液氮冷却条件下激光快速熔凝Ni-28 wt%Sn合金组织演变

研究了在液氮冷却条件下激光快速熔凝Ni-28 wt%Sn亚共晶合金的组织演化过程. 结果显示, 熔池从上至下可以分为三个区域: 表层为平行激光扫描方向的α-Ni转向枝晶区; 中部为近乎垂直于熔池底部外延生长的α-Ni柱状晶区; 底部为少量的残留α-Ni初生相和大量的枝晶间(α-Ni+Ni₃Sn) 共晶组织. 激光熔凝区组织受原始基材组织的影响很大, 熔池中的α-Ni枝晶生长方向受到了热流方向和枝晶择优取向的双重影响. 与基材中存在的层片状、棒状和少量离异(α-Ni+Ni₃Sn)共晶的混合组织相比, 熔池内的共晶组织皆为细小的规则(α-Ni+Ni₃Sn)层片状共晶, 皆垂直于熔池底部外延生长, 并且从熔池顶部至底部, 共晶层片间距逐渐增大. 分别应用描述快速枝晶生长的Kurz-Giovanola-Trivedi 模型和描述快速共晶生长的Trivedi-Magnin-Kurz模型对熔池表层凝固界面前沿的过冷度进行估算, 发现熔池表层α-Ni 枝晶和(α-Ni+Ni₃Sn)层片共晶的生长过冷度在50.4-112.5 K 之间, 远大于相应深过冷凝固(α-Ni+Ni₃Sn) 反常共晶生长的临界过冷度20 K, 这说明文献报道的临界过冷度并不是反常共晶出现的充分条件.     

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.     

液态三元Fe-Cr-Ni合金中快速枝晶生长与溶质分布规律

采用落管方法实现了液态三元Fe-Cr-Ni合金的深过冷与快速凝固,合金液滴的冷却速率和过冷度均随液滴直径的减小而迅速增大.两种成分合金近平衡凝固组织均为粗大板条状α相.在快速凝固过程中,不同直径Fe_(81.4)Cr_(13.9)Ni_(4.7)合金液滴凝固组织均为板条状α相,其固态相变特征很明显,随着过冷度增大,初生δ相由具有发达主干的粗大枝晶转变为等轴晶.Fe_(81.4)Cr_(4.7)Ni_(13.9)合金液滴凝固组织由α相晶粒组成,随着过冷度增大,初生γ相由具有发达主干的粗大枝晶转变为等轴晶,其枝晶主干长度和二次分枝间距均显著下降,晶粒内溶质的相对偏析度也明显减小,溶质Ni的相对偏析度始终大于溶质Cr.理论计算表明,与γ相相比,δ相枝晶生长速度更大.在实验获得的过冷度范围内,两种Fe-Cr-Ni合金枝晶生长过程均由热扩散控制.     

二元合金等温凝固过程的相场模型

基于Ginzberg-Landau理论，发展了一个与WBM模型和KKS模型一致的新相场模型.并利用该相场模型与溶质场耦合计算，以Al-65%Cu合金为例模拟了不同过冷度条件下，二元合金凝固过程的等轴枝晶生长过程.研究过冷度对二元合金等温凝固过程的等轴枝晶生长以及溶质场分布的影响.结果表明：随着过冷度的增大，枝晶的二次枝晶更加发达，浓度Peclet数和枝晶尖端的生长速率增大，而枝晶尖端的曲率半径减小，枝晶前沿的溶质富集现象也更严重；另外，计算结果与Ivantsov理论符合较好. 关键词： 相场法 枝晶生长 溶质场 Ivantsov理论     

Al-Cu-Ge合金的热物理性质与快速凝固规律研究

Al-Cu-Ge合金是典型的三元共晶体系,在工业上有重要的应用价值,对其进行研究有助于了解该合金的热物理性质和提高该合金的结构性能.本文选择了Al55Cu10Ge35,Al70Cu10Ge20和Al80Cu10Ge10三种成分合金作为研究对象,对合金的固态比热和热膨胀系数进行了测量,并对比分析了合金在近平衡凝固和落管快速凝固条件下的组织特征和凝固路径.研究发现,合金比热随Al含量的增大和Ge含量的减少而增大.这三种成分合金的软化温度均为666 K,物理热膨胀系数α在370—650 K温度范围内基本一致,约为1.5×10-5K-1.近平衡凝固条件下合金凝固过程中最后一步反应生成的均为(Al)+(Ge)二相共晶而不是三元共晶,这表明(Al)、(Ge)和CuAl2相在这三种成分的Al-Cu-Ge合金中难以同时形核并协同生长.然而,在快速凝固条件下,初生相的形核和生成受到抑制,合金中更易于形成二相共晶和三元共晶组织.     

微重力下Fe-Al-Nb合金液滴的快速凝固机理及其对显微硬度的影响

采用落管无容器处理技术实现了Fe_(67.5)Al_(22.8)Nb_(9.7)三元合金在微重力条件下的快速凝固,获得了直径为40—1000μm的合金液滴.实验中合金液滴的过冷度范围为50—216 K,冷却速率随着液滴直径的减小由1.23×10~3K·s~(-1)增大到5.53×10~5K·s~(-1).研究发现,Fe_(67.5)Al_(22.8)Nb_(9.7)合金液滴的凝固组织均由Nb(Fe,Al)_2相和(αFe)相组成,且随着液滴直径的减小,初生Nb(Fe,Al)_2相由树枝晶转变为等轴晶,共晶组织发生了约3倍的细化且生长特征由层片共晶向碎断共晶转变;硬质初生Nb(Fe,Al)_2相的析出有效提高了合金的显微硬度.与电磁悬浮条件下同过冷合金的凝固组织对比发现,落管条件下的合金液滴凝固组织更细化,使得合金显微硬度提高了2%—6%.     

深过冷条件下Co_7Mo_6金属间化合物的枝晶生长和维氏硬度研究

采用电磁悬浮和自由落体两种实验技术对二元Co-50%Mo过共晶合金中初生Co_7Mo_6金属间化合物的生长机理和维氏硬度进行了系统研究.电磁悬浮实验中,合金熔体获得的最大过冷度为203 K(0.12T_L),初生Co_7Mo_6枝晶生长速度与过冷度之间呈现幂函数关系.随着过冷度的增大,初生枝晶中Co元素含量单调递增,枝晶尺寸明显减小,并且其维氏硬度逐渐升高.在自由落体状态下,随着液滴直径的减小,合金熔体的过冷度和冷却速率均增大.当液滴直径减小到392μm以下时,初生Co_7Mo_6枝晶从小平面向非小平面形态进行转变.实验发现,深过冷条件下Co_7Mo_6化合物发生了显著的溶质截留效应,其维氏硬度与Co元素分布和形貌特征密切相关.     

Amorphous transformation of ternary Cu45Zr45Ag10 alloy under microgravity condition

The influences of undercooling rate and cooling rate on the microstructural evolution of ternary Cu₄₅Zr₄₅Ag₁₀ alloy using single-roller melt spinning and drop tube are investigated. The rapidly quenched alloy ribbons achieve a homogeneous glass structure. The microstructure of the droplets transforms from the Cu₁₀Zr₇ dendrites plus (Cu₁₀Zr₇+AgZr) eutectic into Cu₁₀Zr₇ dendrite with the decrease of droplet diameter. As the diameter decreases to 180 μm, the Cu₄₅Zr₄₅Ag₁₀ alloy changes from crystal to amorphous structure, showing that the cooling rate is not the only influence factor and the undercooling play a certain role in the forming of the amorphous alloy at the same time under microgravity condition.     

Microstructural evolution during containerless rapid solidification of Co-Si alloys

The Co-12%Si hypoeutectic, Co-12.52%Si eutectic and Co-13%Si hypereutectic alloys are rapidly solidified in a containerless environment in a drop tube. Undercoolings up to 207K (0.14T_E) are obtained, which play a dominant role in dendritic and eutectic growth. The coupled zone around Co-12.52%Si eutectic alloy has been calculated, which covers a composition range from 11.6 to 12.7%Si. A microstructural transition from lamellar eutectic to divorced eutectic occurs to Co-12.52%Si eutectic droplets with increasing undercooling. The lamellar eutectic structure of the Co-12.52%Si alloy consists of εCo and Co_3Si phases at small undercooling. The Co_3Si phase cannot decompose completely into εCo and αCo_2Si phases. As undercooling becomes larger, the Co_3Si phase grows very rapidly from the highly undercooled alloy melt to form a divorced eutectic. The structural morphology of the Co-12%Si alloy droplets transforms from εCo primary phase plus lamellar eutectic to anomalous eutectic, whereas the microstructure of Co-13%Si alloy droplets experiences a `dendritic to equiaxed' structural transition. No matter how large the undercooling is, the εCo solid solution is the primary nucleation phase. In the highly undercooled alloy melts, the growth of εCo and Co_3Si phases is controlled by solutal diffusion.     

落管中Ni-Fe-Ti合金的快速凝固机理及其磁学性能

采用落管自由落体方法实现了Ni_(45)Fe_(40)Ti_(15)合金在微重力无容器条件下的快速凝固,获得了直径介于160—1050μm的合金液滴.理论计算表明冷却速率及过冷度随液滴直径减小而增大,并呈指数函数关系,实验获得的最大过冷度为210 K(0.14 T_L).随着过冷度增大,凝固组织中粗大的γ-(Fe,Ni)枝晶逐渐细化,二次枝晶间距减小,溶质Ti在γ-(Fe,Ni)相中的固溶度显著扩展.对不同直径合金液滴的凝固样品进行磁学性能分析,结果表明随着凝固合金液滴直径减小,其饱和磁化强度增大,矫顽力减小,矩形比下降,软磁性能明显提高.     

Site preference of Ti and Nb in L12-ordered Co-Al-W phase and their effect on the properties of the alloy: first-principles study

In this work,the equilibrium structure,electronic and elastic properties of L1₂-ordered Co-Al-W and Co-Al-W-X(X=Ti and Nb)phase were calculated,using first-principles calculations.Among six nonequivalent sites(Al₁,Al₂,Co₃,Co₄,W₅,W₆),Ti and Nb prefer to occupy the W₆site,since the formation enthalpy of the system is lowest when Ti and Nb occupy the W。site.Both Ti and Nb most affect the density of states of Al atoms.Compared with the Al₂ site,which is the sub-preference site of Ti and Nb,the density of states of Al atoms is higher with the addition of Ti and Nb in the W₆site,which means that the latter system is more stable.According to the bulk modulus B,shear modulus G,Young's modulus E,hardness Hv and Poisson's ratioσ,for Co₃(AI,W)alloy,the addition of Ti and Nb in the W₆site decreases its hardness hut increases its duetility.This work cnnfirms that Ti and Nh can stahilize the Cag(Al,W)alloy and have a positive effect in solving the relatively poor ductility of this alloy,which has important implications for the development of cobalt.based alloys.     

RAPID DENDRITIC GROWTH INVESTIGATED WITH ARTIFICIAL NEURAL NETWORK METHOD

Rapid dendritic growth of γ-(Ni, Fe) phase, β-CoSb intermetallic compound and α-Fe phase was realized by undercooling Ni-10%Fe single phase alloy, Co-60.5%Sb intermetallic alloy and Fe-40%Sn hypomonotectic alloy to a substantial extent. Their experimentally measured dendrite growth velocities were 79.5m/s, 12m/s and 0.705m/s, corresponding to undercooling levels of 303K(0.18T_L), 168K(0.11 T_L) and 219K(0.15 T_L) respectively. Since the usual dendrite growth theory deviates significantly from reality at great undercoolings, an artificial neural network incorporated with stochastic fuzzy control was developed to explore rapid dendrite growth kinetics. It leads to the reasonable prediction that dendritic growth always exhibits a maximum velocity at a certain undercooling, beyond which dendrite growth slows down as undercooling increases still further. In the case of Fe-Sn monotectic alloys, α-Fe dendrite growth velocity was found to depend mainly on undercooling rather than alloy composition.     

Mg-Al系工业合金牌号的成分式解析

Mg-Al系牌号是应用最广的镁基工业合金,但其牌号背后的成分根源一直未知,构成研发新合金的主要障碍.本文应用描述固溶体短程序结构特征的团簇共振模型,得到了Mg-Al二元固溶体的最理想化学结构单元[Al-Mg_(12)]Mg_1,然后对《the American Society for Testing Materials》手册中所有Mg-Al系工业合金牌号进行成分解析,得到相应团簇成分式,如AZ63A合金解析后的团簇成分式为[Al_(0.78)Zn_(0.16)-Mg_(12)]Mg_(1.04)Mn_(0.02),AZ81A合金解析后的团簇成分式为[Al_(0.97)Zn_(0.03)-Mg_(12)]Mg_(0.98)Mn_(0.02).再根据成分式与化学结构单元之间的误差,对比该牌号合金的力学性能,验证了该化学结构单元在Mg-Al体系中的准确性,揭示出看似复杂的工业合金牌号后面隐藏的简单成分规律,为发展Mg-Al体系合金指出了一个全新的途径.