抽拉速度对SCN-DC共晶生长形貌的影响

本文采用类金属透明模型合金丁二腈-23.6 wt%樟脑 (SCN-23.6 wt%DC) 合金, 研究了棒状共晶定向凝固组织的演化行为, 考察了抽拉速度对棒状共晶合金组织形貌演化的影响规律. 结果表明, 在共晶生长初期, 共晶组织首先起源于晶粒晶界或者试样盒型壁处, 随后沿液/固界面和平行于热流方向生长; 在较小的抽拉速度 (0.064–0.44 μm/s)下, 棒状共晶界面前沿呈现平界面形态, 内部两相棒状组织平行生长, 并且随着抽拉速度的增大,棒状共晶逐渐细化, 棒状间距减小; 而在较大的抽拉速度 (0.67–1.56 μm/s)下, 共晶界面前沿呈现胞状生长形貌, 胞内的棒状共晶呈放射状生长, 同样, 随着抽拉速度的增大, 胞内棒状共晶逐渐细化, 棒状间距减小. 关键词： 定向凝固 共晶形貌 抽拉速度 共晶间距     

晶体取向对定向凝固枝晶生长的影响

采用类金属透明模型合金丁二腈-1.0 wt%乙醇(SCN-1.0 wt% Eth)合金, 考察了晶体取向对定向凝固过程中晶粒的平界面失稳孕育时间、枝晶形态演化以及枝晶一次间距的影响. 结果表明, 随着枝晶择优生长方向与温度梯度方向夹角的增大, 晶粒的平界面失稳孕育时间增加, 界面的稳定性增强; 对于不同晶体取向的枝晶形态演化, 枝晶择优生长方向与温度梯度方向夹角越大, 枝晶二次臂不对称生长越严重, 同时, 具有生长优势的枝晶二次臂对相邻枝晶的生长的抑制越强烈; 至于不同晶体取向的枝晶一次间距, 随着枝晶择优生长方向与温度梯度方向夹角的增大, 枝晶一次间距增大. 关键词： 定向凝固 平界面失稳 枝晶间距 晶体取向     

过冷熔体中枝晶生长的相场模拟

本文利用相场方法对过冷镍熔体中枝晶生长过程进行了模拟,发现在过冷度低于 200 K时,生长速度与过冷度之间近似呈幂函数关系,当过冷度高于 200 K时,生长速度与过冷度之间基本呈线性关系。伴随着速度/过冷度之间关系的变化,枝晶尖端半径/过冷度的关系则呈现先减小后增加的趋势,并在 200 K时达到最小。本文还将模拟结果与实验值和经典LKT理论进行了比较,对上述关系转变的物理机制进行了分析。     

二元层片共晶凝固过程的特征尺度选择

基于Jackson和Hunt二元规则共晶稳态生长理论,在共晶两相的界面溶质守恒条件中引入密度修正项,改进了共晶两相的界面溶质守恒条件.在此基础上,根据二元层片共晶常规凝固过程中层片组织稳态生长时Gibbs自由能的变化,运用极值形态选择原理确定二元层片共晶凝固过程中层片间距特征尺度选择准则.理论分析表明,对于给定二元共晶合金,在常规凝固条件下的层片间距选择通常为一有限区间.此外,理论分析还表明,二元层片共晶稳态生长时其特征尺度的选择可以呈现超稳定性,而且在给定的凝固条件下超稳定性只和给定合金系的物性参数有关.将该形态选择准则分别运用于物性参数精确已知的Al-Al2Cu,Sn-Pb和CBr4-C2Cl6合金系,表明计算结果与实验结果相符合.     

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     

各向异性表面张力对定向凝固中共晶生长形态稳定性的影响

研究各向异性表面张力对定向凝固中共晶生长形态稳定性的影响.应用多重变量展开法导出了共晶界面表达式和扰动振幅的变化率满足的色散关系.结果表明,共晶生长系统有两种整体不稳定性机理:由非震荡导致的"交换稳定性"机理和由震荡导致的"整体波动不稳定性"机理.震荡有四种典型模式,即:反对称-反对称(AA-),对称-反对称(SA-)、反对称-对称(AS-)和对称-对称(SS-)模式.稳定性分析表明:共晶界面形态稳定性取决于Peclet数ε的某一个临界值ε_*,当ε大于临界值ε_*时,共晶界面形态不稳定;当ε小于临界值ε_*时,共晶界面形态稳定.随着各向异性表面张力增大,对应于AA-,SA-和SS-模式的临界值ε_(aa*),ε_(sa*)和ε_(ss*)随之减小,表明各向异性表面张力减小这三种模式的稳定性区域;然而,随着各向异性表面张力增大,对应于AS-模式的临界值ε_(as*)随之增大,表明各向异性表面张力增大AS-模式的稳定性区域.     

高生长速度条件下的“层片↔棒状”共晶转变机理研究

低速生长条件下, 共晶“层片↔棒状”转变只由两相的体积分数控制. 高速情况下, 这种转变有时亦发生, 其转变机理不清楚. 本文应用竞争生长准则, 结合高速生长条件下层片共晶和棒状共晶生长模型研究了生长速度引起的“层片↔棒状”转变机理. 结果显示: 体积分数在临界值附近很小的范围内, 生长速度和溶质配分系数的增大可引起“棒状→ 层片”共晶转变; 而当体积分数远离临界值时, 转变不发生. 生长速度名义上引起“层片↔棒状”共晶转变实际上是由生长速度变化引起的体积分数的变化导致的. 关键词： “层片↔棒状”共晶转变 竞争生长 生长速度 体积分数     

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     

三种变速条件下共晶生长的多相场法模拟

利用多相场模型模拟了共晶合金CBr₄-C₂Cl₆定向凝固变速生长过程，研究了阶跃变速、线性变速以及震荡变速三种变速条件下共晶片层间距的调整以及形态的变化.结果表明：在变速生长过程中，界面平均生长速率与平均过冷度随抽拉速率的变化均产生滞后效应；阶跃增速时，片层间距的调整通过突变分岔形式进行，而阶跃减速时，通过片层的逐步湮没与合并以及自身相的长大方式进行，两个过程表现出强烈的非对称性；线性增速过程，片层间距的调整通过逐步分岔进行，而线性减速过程 关键词： 多相场 共晶 变速生长 片层间距     

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%.     

Effect of gravity convection on interface morphology during solidification

An experimental apparatus consisting of a crystal growth room and a crystal growth observation system was developed for the study of the effect of the gravity convection perpendicular to the growth direction on the growth process by use of model alloy succinonitrile (SCN)-5wt%ethanol. It was found that the convection improves the stability of the interface and causes the downstream alternation of the cell growth direction because of the dual effect of the Stokes force and the gravity. The second dendrite arm facing the flow comes into being earlier than that at another side when the interface transforms cell to dendrite. Then the dendrite at the side facing the flow comes into being earlier. The second dendrite arm facing the flow grows faster and is more developed than that at another side. In addition, the primary dendrite arm spacing increases and the dendrite tip radius decreases under the gravity convection. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 50331040 and 60171043)     

Rapid growth of ternary eutectic under high undercooling conditions

~~Rapid growth of ternary eutectic un der high undercooling conditions1.Offerman, S.E., Dijk, N.H., Sietsma, J.et al., Grain nucleation and growth during phase transformations, Science, 2002, 298: 1003-1005. 2.Warren, J.A., Langer, J.S., Prediction of dendritic spacings in a directional-solidification experiment, Phys.Rev.E, 1993, 47: 2702-2712. 3.Cao, C.D., Wang, N., Wei, B., Containerless rapid solidification of undercooled Cu-Co peritectic alloys, Science in China, Ser.A, …     

A steady solution of the gasar eutectic growth in directional solidification

This paper presents the general mathematical model on gasar eutectic growth in directional solidification. Using multiple scale expansion and matching method, we obtain the global steady solution of gasar eutectic growth as the Peclet number ε≤1, where ε is defined as the ratio of half an inter-pore spacing and solutal diffusion length. We also give the interfacial shape and predict the porosity of gasar eutectic growth. Results show that porosity is mainly dependent on gas pressure above the metal melt, but independent of pulling velocity. Our predicted results are in agreement with experimental data.     

Effect of buoyancy-driven convection on steady state dendritic growth in a binary alloy

The effect of buoyancy-driven convection on the steady state dendritic growth in an undercooled binary alloy is studied. For the case of the moderate modified Grashof number, the uniformly valid asymptotic solution in the entire region of space is obtained by means of the matched asymptotic expansion method. The analytical results show that the buoyancy- driven convection has a significant effect on the needle-like interface of dendritic growth. Due to the buoyancy-driven convection, the needle-like interface shape of the crystal is changed. When the Peclet number that is not affected by the buoyant flow is less than a certain critical value, the interface shape of the dendrite becomes thinner as the Grashof number increases; when it is larger than the critical value, the interface shape becomes fatter as the Grashof number increases. In the undercooled binary alloy the morphology number plays an active role in the interface shape and leads to the buoyancy effect that is different from the situation for the pure melt. The smaller the morphology number is, the more significant change the interface shape has. As the Peclet number further increases, the effect of buoyancy on the interface diminishes eventually.     

采用元胞自动机法模拟二元规则共晶生长

基于元胞自动机方法,建立了二元规则共晶生长的数值模拟模型.该模型耦合宏观温度场,考虑了溶质扩散、成分过冷以及曲率过冷等重要因素,实现了二元规则共晶的稳态层片生长.以共晶模型合金为对象,研究了定向凝固条件下不同过冷度、初始层片间距、温度梯度及凝固速率对共晶两相生长形貌及层片间距的影响,再现了两相在溶质扩散及界面能的相互作用下通过形核、分岔、湮没及合并等机理实现共晶层片间距的调整.模拟得到的结果与Jackson-Hunt模型及前人实验结果规律一致.将模型扩展到三维系统,验证了二元规则共晶生长三维模拟的可行性. 关键词： 规则共晶 生长形貌 层片间距 CA方法