Nucleation of β/α Phases in Undercooled Ti-48( at％ )Al Peritectic Alloy

采用电磁悬浮熔炼的深过冷凝固技术实现了Ti-48( at％) Al合金的深过冷,获得的最大过冷度为295K.采用红外测温仪记录实验过程的温度变化数据,OM技术观察不同过冷度下凝固合金的显微组织,结合深过冷凝固过程中的再辉行为分析了该合金的非平衡凝固路径.运用负熵模型、经典形核理论及瞬态形核理论,研究了Ti-48( at％)Al包晶合金中初生相与次生相的形核与过冷度之间的关系.通过对该合金熔体的β(bcc)相和α(hcp)相的临界形核功、稳态形核率、形核孕育时间和瞬态形核率的计算,并结合实验结果对β,α两相的形核进行了综合分析.结果表明,在～10K/s的较低冷速情况下,在整个过冷度(≤295K)范围内B(bcc)相总能作为初生相首先形核.     

深过冷液态金属的凝固特点

 本文评述了近年来深过冷液态金属凝固过程研究的新进展,论及深过冷获得技术、晶体形核与快速长大、凝固组织形态转变、界面绝对稳定性与无偏析凝固、以及准晶和非晶形成。     

大体积液态铝合金的净化和深过冷

采用无机盐类净化剂,在高频电磁悬浮熔炼装置上对大体积Al83Y10Ni7合金进行净化处理,获得了78.1℃的大过冷度;使用DSC技术和常规金相方法分析了深过冷熔体中的晶体形核和凝固组织。实验结果表明,在熔体的强制对流条件下,适当配比的无机盐净化剂有较强的微观净化效果,并使其微观组织明显细化。在自由凝固条件下,深过冷液态金属的细化效果仅受控于形核过冷度,与其体积的大小无关。     

深过冷快速凝固Fe82.5Ni17.5合金的组织演化

采用熔融玻璃净化结合循环过热的方法,使Fe82.5Ni17.5合金获得了330 K的最大初始过冷度.结合理论计算和组织观察,对Fe82.5Ni17.5合金在深过冷条件下的凝固行为和组织形成规律进行了研究.结果表明,过冷度△T＜63 K时,合金的凝固组织为粗大的树枝晶;当63 K＜△T＜158 K时,凝固再辉所产生的重熔效应非常强烈,受此影响,初生的树枝晶被熔断,形成了细化的粒状晶组织;当过冷度进一步增大至158 K＜△T＜203 K时,再辉所产生的重熔效应大大降低,凝固组织进一步演变为发达的树枝晶组织;而当△T＞203 K时,凝固组织的晶粒细化源于快速凝固体积骤变所产生收缩应力导致的初生枝晶碎断.     

过冷状态下二维枝晶生长的相场方法模拟

通过相场理论建立了纯物质镍在过冷溶液中枝晶生长的相场模型。把相场方程和温度场方程进行耦合,建立了相对应的相场模型。该模型以熵增加函数为基础,通过熵增加函数推导出热力学一致性的相场控制方程。利用上述的模型和方法在计算机上编制二维组织凝固模拟程序得出结论,各向异性强度影响枝晶尖端生长速度,过冷度决定凝固速度的快慢。     

过冷水滴凝固机理及凝固组织特征

针对飞机过冷水滴结冰的精细化预测需求,基于相变热力学与相变动力学相关理论,采用示差扫描量热法（DSC）、结冰风洞试验及微结构测试相结合的方法,研究了过冷水滴凝固过程的热力学机理及凝固组织特征。基于示差扫描量热法,研究了冷却速率及形核条件对结晶凝固特性的影响规律;基于结冰风洞试验开展了不同温度条件下冰相的宏观形貌及微结构特征研究。结果表明,过冷条件及冷却速率是影响过冷水滴结晶速率及结晶完善程度的重要因素。降温速率越大,结晶速率常数增大、结晶速率相应提高。同时,结晶峰变宽,结晶初始温度向低温方向移动,过冷效应相对显著;反之亦然。过冷度及冷却速率对冰相的宏观及微观形貌均有着重要影响。过冷度越大则相同时间内冷却速率越大,晶体生长过程越不充分,晶体不规则程度相对较高,同时晶粒密度变大、尺度变小,冰相表观透明度相对降低;反之,过冷度越小,则晶粒密度变小、尺度变大,冰相表观透明度相对较高。异相形核条件对加速结晶过程有重要促进作用,晶种的存在可有效加速二次结晶的触发,使过冷效应显著减弱。相关研究可为飞机结冰速率、冰相物理特征及冰形宏观形貌的精细化预测提供参考。     

Al-4.5％Cu合金的过冷及凝固组织特征

对Ａｌ－４．５％Ｃｕ合金在纯石黑坩埚中用卤盐熔剂净化后的过冷度及其在金属锭模中的凝固组织特征进行了研究。实验结果发现：粘度较大的半固态熔剂对合金的净化作用较强,可使合金在金属锭模中得到６２℃的形核过冷度;金属熔体净化得到的热力学过冷度对合金形核及最终宏观组织的影响明显不同于激冷得到的动力学过冷度对其所产生的影响,在一定过冷度下,晶粒尺寸随热力学过冷度的增大而增大     

晶体生长方向对亚快速凝固结晶形貌的影响

采用区域熔化定向凝固装置,对冷却速度在１３～１３０Ｋ／ｓ范围内Ｎｉ－５％Ｃｕ合金的结晶形貌研究表明：在温度梯度ＧＬ３００Ｋ／ｃｍ条件下,晶体生长速度υ为５００μｍ／ｓ时,不同结晶取向的晶粒其结晶形貌不同。以＜１００＞方向生长的晶粒为树枝晶组织;以＜１２０＞方向生长的晶粒为细胞晶组织。当υ为８００μｍ／ｓ时,不同结晶取向的细胞晶间距不同。以＜１００＞方向生长的细胞晶间距是２８μｍ;以＜２１１＞方向生长的细胞晶间距是１６. ５μｍ。相同凝固条件下,同一晶粒内不同取向的分枝,结晶形貌不同。亚快速凝固条件下,树枝晶生长的生长方向已不完全按＜１００＞方向择优取向,细胞晶生长的择优取向性被抑制。     

Cu-1.0% Cr亚共晶合金定向凝固组织演化

在定向凝固下计算和比较了Cu-1.0%Cr亚共晶合金组织中各相的界面生长温度,结果表明当定向凝同速率大于5αm/s时,α-Cu相的界面生长温度高于共晶组织,α-Cu相会作为初生相首先析出凝固,从而难以制备出全耦合生长的共晶组织的复合材料,计算获得的结果与实验结果相一致.另外随定向凝固速率的增加,初牛胞状α-Cu相一次枝晶间距和尖端半径以及共晶组织的体积分数都相应地减少,其中α-Cu相一次枝晶间距实验结果与KF一次枝晶间距模型计算结果较为接近.     

深过冷Ni-32.5%Sn共晶合金凝固过程中的再辉与组织形态

 采用高温过热法去除异质晶核,使15g液体Ni-32.5％Sn共晶合金过冷度达395K(0.28T_E),借助快速红外测温技术研究了再辉现象及其与过冷、晶体形核和长大、以及凝固组织的关系,并对再辉过程中的结晶分数进行了近似计算。     

含La铝硅共晶强制性非稳态生长

 试验考察了含La0.5％wt铝硅共晶强制性等加速等减速非稳态生长,纤维状共晶相半径R可以及时响应生长速度的变化,而片状共晶间距λ的响应则是迟钝的、波动的。试验分析了生长过程中初生α相偏转和共晶数量的变化。文中建立了非稳态生长理论模型,分析表明溶质扩散、共晶生长响应动力学和交互作用控制非稳态生长过程。     

变质铝硅共晶生长

 本文对锶变质铝硅共晶生长过程进行了讨论,变质铝硅共晶固液界面处,溶质扩散过冷和曲率过冷仅是固液界面总过冷的一小部分,界面总过冷受生长速度的影响十分显著。可以认为生长过程中共晶固液界面处于偏离平衡的某一定态,这一定态同生长速度和温度梯度密切相关。     

浇注温度对K4169高温合金晶粒组织影响的计算机模拟

利用Fortran语言编程,采用有限差分法分别解用热焓法处理结晶潜热的圆柱坐标系一维不稳定热传导方程,模拟了K4169高温合金圆柱锭某一横截面凝固过程中温度的变化,它正确地反映了在不同铸造工艺条件下合金铸件横截面上温度的变化规律。通过固相分数,将合金铸件凝固温度场模拟及其连续形核模型、枝晶尖端生长的动力学模型相耦合,计算了不同浇注温度下K4169高温合金圆柱锭凝固过程中晶粒组织的特征值,包括晶粒密度和平均晶粒尺寸,并参考二维CellularAutomaton方法,实现了在计算机屏幕上晶粒形成的动态显示,模拟结果和实验结果吻合较好。     

基于CAFE的铝双辊连续铸轧凝固微观组织

基于元胞自动机CA的形核和长大模型与宏观传热模型相耦合对双辊连续铸轧纯铝薄带凝固微观组织进行了模拟,模拟计算中采用连续性异质形核模型和修正的枝晶尖端生长动力学模型(KGT)。另外,模拟研究了铸轧工艺参数和金属凝固参数对双辊连续铸轧纯铝薄带凝固微观组织的影响规律。模拟结果可很好地解释和预测啮合点前柱状晶和等轴晶之间的转化和晶粒尺寸大小,柱状晶主要分布在靠近铸轧辊面附近,等轴晶则是远离铸轧辊面而靠近薄带的中心区域。     

定向凝固的胞晶和枝晶一次间距研究

从凝固界面形态演化的时间相关性和路径相关性的角度,对一次间距问题进行了实验研究,发现了一些新的现象,并由此对一次间距的理论模型和实验研究方法进行了分析讨论。     

深过冷熔体中的晶体形核与快速长大

 以特制的无机盐玻璃作为净化剂去除液态Ni-0.39％B-6.58％Si合金中的异质晶核,获得363K(0.229T_L)过冷度,采用高速摄影及快速红外测温技术研究了深过冷熔体的快速凝固行为。     

电荷作用对均质-非均质凝结流动的影响

基于Fletcher成核理论及均质-非均质凝结双流体模型,讨论了电荷作用对凝结流动的影响,结果表明:有无电荷影响时,成核率计算公式精度均较高,流场参数的计算结果与实验结果吻合良好,相对误差不超过5%,表明所建的均质-非均质凝结双流体模型具有较高精度.不带电时,加入颗粒半径为5nm颗粒前后流场过冷度差别较小,加入颗粒半径分别为8nm和10nm颗粒后过冷度峰值虽分别降低2K和7K,但均导致自发凝结向下游迁移.当颗粒带电荷量为Q=1e,加入颗粒半径为5nm颗粒情况下对减小成核自由能障、增加非均质成核率的作用最为明显,这一作用在颗粒半径为8nm时较弱,颗粒半径为10nm情况下最弱.当带电量增加至Q=3e时,加入颗粒半径分别为5nm和8nm颗粒情况下峰值过冷度与均质凝结相比分别下降10K和6K,且较明显地抑制了自发凝结发生.