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.     

等温凝固多晶粒生长相场法模拟

采用Kim模型，利用耦合溶质场的相场模型对Al-2-mole-Cu合金等温凝固过程中多晶粒相互影响下枝晶的生长过程进行数值模拟，为了提高计算效率，采用差分去实现宏微观场之间的耦合.研究了不同过冷度对多晶粒枝晶形貌和溶质分布的影响，结果表明：成分过冷对枝晶生长速度和溶质分配有着重大的影响，溶质元素Cu在固液界面前沿重新分布，结果导致实际热过冷减小，进而影响枝晶的生长和溶质向外层的扩散，致使相互接触的枝晶产生萎缩而其余没有受到抑制的枝晶生长方向产生择优现象. 关键词： 相场法 模拟 择优生长 等温凝固 二元合金     

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.     

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     

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.     

共晶形态层—棒转变的多相场法研究

利用KKSO多相场模型研究了不同抽拉速度及不同液相溶质扩散系数条件下共晶形态层—棒状转变过程. 模拟结果表明：在抽拉速度较低时,层片共晶首先发生合并现象,然后继续以层片形态生长;增大抽拉速度,发生层片合并后共晶形态由层片向棒状转变;进一步增大抽拉速度,层片不发生合并,仅以初始层片间距进行稳态层片生长. 溶质扩散系数条件的改变同样会导致共晶形态发生层—棒状转变,结果还表明层—棒转变仅在一定参数范围内发生. 模拟结果与实验研究定性符合. 关键词： 层—棒转变 多相场 数值模拟     

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.     

强迫对流影响二元合金非等温凝固枝晶生长的相场法模拟

在二元合金相场模型的研究基础上,建立了耦合溶质场、温度场和流场的相场模型,采用Simple算法求解质量和动量守恒方程,用交替隐式有限差分法求解温度控制方程,模拟了流场作用下二元合金等温和非等温凝固过程中枝晶的生长过程,研究了流场对枝晶生长形貌、溶质场和温度场分布情况的影响,将流场作用下二元合金等温和非等温凝固枝晶生长过程进行比较,分析了由于凝固潜热的释放对流场作用下凝固枝晶生长的影响． 关键词： 相场法 对流 非等温凝固 枝晶生长     

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     

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     

弱熔体对流对定向凝固中棒状共晶生长的影响

利用渐近方法求出在弱对流熔体中定向凝固棒状共晶生长的浓度场的渐近解,研究了弱熔体对流对定向凝固中棒状共晶生长的影响.结果表明,弱熔体对流对定向凝固中棒状共晶生长有显著的作用;平均界面过冷度不仅与棒状共晶的棒间距、生长速度有关,还与流动强度有关;当生长速度一定时,随着流动强度增大,棒状共晶的平均界面过冷度减小.利用最小过冷原则,获得棒间距与生长速度和流动强度的关系.结果表明,当生长速度比较小时,随着流动强度增大,棒状共晶的棒间距增大;当生长速度比较大时,随着流动强度增大,棒状共晶的棒间距变化减弱;棒状共晶的生长速度越小,流动对棒状共晶生长的影响越大.利用本文的解析结果计算在对流条件下Al-Cu共晶的棒间距,结果显示随着转速增大或径向距离增大,共晶的间距增大,这与Junze等的实验结果相符合.     

Diffusionless crystal growth in rapidly solidifying eutectic systems

Using a local nonequilibrium model of solidification, experiments on rapid eutectic growth are analyzed. An analytical solution of a problem of rapid lamellar eutectic growth under local nonequilibrium conditions in the solute diffusion field is found. It is shown that solute diffusion-limited growth of a eutectic pattern is completely finished, and diffusionless growth of the chemically homogeneous crystalline phase begins to proceed at a critical point V = V(D), where V is the solid-liquid interface velocity and V(D) is the solute diffusion speed in bulk liquid. A suppression of eutectic decomposition occurs in the range V > or = V(D) that results in a growth of homogeneous crystal phase with the initial (nominal) chemical composition of the binary system.     

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     

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.     

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.     

Ti-44at%Al合金小尺寸铸件柱状晶/等轴晶演化过程模拟

利用溶质扩散控制模型对TiAl合金柱状晶/等轴晶转变过程进行了数值模拟，结果表明，等轴晶在柱状晶前沿形核及生长过程中，当两个扩散场相遇时，观察到成分冲击波，它可能是导致柱状晶停止生长的一个主要原因.利用该模型，对小铸件柱状晶/等轴晶转变过程进行了预测，在模拟过程中发现柱状晶界面前沿液相温度梯度，成分过冷度可联合对柱状晶/等轴晶转变产生影响，模拟与实验观察符合较好. 关键词： TiAl合金 成分冲击波 柱状晶/等轴晶转变