高温度梯度定向凝固Al-In和Cu-Pb合金组织演化

摘要

本文选择典型的Al-In和Cu-Pb偏晶合金作为研究对象，研究了在定向凝固工艺条件下微观组织的转变过程并对其进行了理论分析，同时采用相场法模拟了偏晶合金微观组织演化过程。
　　在高温度梯度下对Al-In偏晶合金进行定向凝固，考察了不同凝固速度、化学成分以及第三组元对偏晶合金凝固组织的影响，获得了定向凝固条件下微观组织的演化规律，即在固定的温度梯度下，随着抽拉速度的增大，第二相形态演化的过程依次为：规则的纤维状，发生颈缩的纺锤状，粗化的球状，均匀弥散分布于基体中。纤维间距随着凝固速度的增大而减小，随着温度梯度的增大，纤维状向球状转变的临界速度相应增大。
　　在Cu-Pb亚偏晶成分范围内进行定向凝固时，组织呈现枝晶的形貌，当铅含量增加时，组织由枝晶向不规则的棒状组织转变。随着铅含量的增大，组织由枝晶向不规则的棒状组织转变所需要的凝固速度减小。在Cu-Pb过偏晶成分范围内进行定向凝固时，抽拉速度和铅含量较低时，容易形成拉长的粒子状第二相，而后随着抽拉速度的进一步增加向不规则的棒状第二相转变。而抽拉速度较低和铅含量较高的时候形成带状组织，随着抽拉速度的进一步提高组织会由带状向拉长的粒子状组织转变。在偏晶点附近形成不规则的棒状复合组织的铅含量随着凝固速度的增加而增大。
　　基于共晶理论模型考虑生成相密度的不同对凝固界面前沿溶质场进行求解，在此基础上对过冷度计算，进而进行偏晶合金定向凝固中第二相纤维球化以及规则第二相纤维与非规则第二相纤维之间转变的理论预测，综合考虑了界面能、第二相体积分数以及液相线斜率对偏晶合金定向凝固组织的影响因素的情况下，对偏晶合金定向凝固规则与非规则第二相纤维转变提出一个新的判据。并利用此判据对五种典型的偏晶合金系进行计算，所获得预测结果与实验观察的第二相纤维规则情况吻合较好。通过对沿着规则L2相纤维表面成正弦分布的扰动进行分析，以在纤维表面扰动幅度达到R0时所需要的时间tp小于试样在凝固界面以下TM到共晶反应温度TE之间运动时间t为临界条件，推导出纤维状的第二相可以发生颈缩，从而导致球化的判据。
　　采用计算效率和计算精度较高的Fourier变换谱分析方法求解Cahn-Hilliard相场方程，对Cu-Pb过偏晶合金液相分离过程中液滴生长和Ostwald熟化进行模拟，研究了第二相液滴扩散长大过程，同时耦合Navier-Stokes方程计算了流动对Cu-Pb过偏晶合金的液相分离过程中液滴生长过程的影响。研究表明在过饱和基体中，单个第二相液滴生长的扩散过程主要是系统自由能作用的结果，液滴半径的长大速率与经典的Zener理论吻合良好。计算区域中多个第二相液滴粗化后液滴半径的分布情况，与LSW解析理论吻合较好。第二相液滴在生长过程中，除了扩散生长、Ostwald熟化以外，还受到定向凝固温度场中温度梯度的作用，产生Marangoni运动，在Marangoni力的驱动下，液滴向温度高的区域发生移动，在随后的凝固过程中，由于不同半径的液滴之间受到Marangoni力的大小不同，移动速度也不同，导致各种半径大小的液滴之间发生碰撞，从而加速了液滴半径粗化的进程，使液滴半径尺寸沿着温度梯度方向逐渐的增加。
　　干摩擦条件下定向凝固Cu-Pb金属基自润滑复合材料的摩擦系数随固体润滑剂体积分数的增加而下降，减摩自润滑效果逐渐提高。铜铅自润滑材料在含油的状态下，形成了一种复合润滑体制，具有很强的吸油能力，能形成高效能的胶体油铅混合液态薄膜。由于摩擦接触表面间油膜的存在，减轻了微凸凹体的接触及表面间元素传递过程，降低了摩擦系数。由于定向凝固工艺方法使得第二相更加的均匀，因此定向凝固制备的铜铅自润滑材料普遍比熔铸方法所制备的铜铅自润滑材料在油润滑状态下的摩擦系数要低。

目录

高温度梯度定向凝固Al-In 和Cu-Pb 合金组织演化

MICROTRUCTURE EVOLUTION OF Al-In ANDCu-Pb MONOTECTIC ALLOYS DIRECTIONALLYSOLIDIFIED IN HIGH TEMPERATUREGRADIENT

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 偏晶合金的理论研究现状

1.2.1 偏晶合金的凝固热力学

1.2.2 偏晶合金的凝固动力学

1.3 偏晶合金的制备方法

1.3.1 快速凝固法

1.3.2 搅拌铸造法

1.3.3 控制铸造法

1.3.4 旋转造粒法

1.3.5 粉末冶金法

1.3.6 微重力条件下的熔融铸造法

1.3.7 离心熔铸法

1.3.8 定向凝固法

1.4 偏晶合金定向凝固实验的研究现状

1.5 偏晶合金定向凝固理论的研究现状

1.6 偏晶合金凝固过程数值模拟的研究现状

1.6.1 动态密度法

1.6.2 分离粒子法

1.6.3 相场法

1.7 本文研究内容

第2章 实验材料及实验方法

2.1 研究方案

2.2 实验设备

2.3 实验方法

2.3.1 试样的制备

2.3.2 温度梯度的测量

2.3.3 定向凝固过程

2.4 显微组织分析

2.5 摩擦磨损实验

2.5.1 无润滑摩擦磨损实验

2.5.2 油润滑摩擦磨损实验

第3章 Al-In和Cu-Pb偏晶合金高温度梯度定向凝固组织演化规律

3.1 引言

3.2 Al-In偏晶合金高温度梯度定向凝固组织演化规律

3.2.1 生长速度对定向凝固Al-In偏晶合金显微组织的影响

3.2.2 化学成分对定向凝固Al-In偏晶合金显微组织的影响

3.2.3 第三组元对Al-In偏晶合金的定向凝固显微组织的影响

3.2.4 Al-In偏晶合金定向凝固组织选择图

3.3 Cu-Pb偏晶合金高温度梯度定向凝固组织演化规律

3.3.1 生长速度对定向凝固Cu-Pb偏晶合金显微组织的影响

3.3.2 化学成分对定向凝固Cu-Pb偏晶合金显微组织的影响

3.3.3 Cu-Pb偏晶合金定向凝固组织选择图

3.4 本章小结

第4章 偏晶合金定向凝固第二相纤维形成理论分析

4.1 引言

4.2 偏晶合金定向凝固模型

4.2.1 偏晶合金定向凝固前沿溶质浓度的分布

4.2.2 偏晶合金定向凝固的过冷度

4.3 偏晶合金定向凝固规则第二相纤维的球化规律

4.4 偏晶合金定向凝固规则与非规则第二相纤维之间转化判据

4.5 本章小结

第5章 过偏晶合金定向凝固第二相弥散分布的相场法模拟

5.1 引言

5.2 过偏晶合金定向凝固相场模型

5.2.1 控制方程

5.2.2 热力学数据

5.3 计算方法

5.3.1 Cahn-Hilliard 方程的计算方法

5.3.2 Navier-Stokes方程的计算方法

5.4 计算结果

5.4.1 扩散长大

5.4.2 Ostwald 熟化

5.4.3 扩散碰撞

5.4.4 Marangoni对流

5.5 本章小结

第6章 定向凝固Cu-Pb偏晶合金摩擦磨损性能

6.1 引言

6.2 无润滑条件下Cu-Pb合金的摩擦磨损性能

6.2.1 无润滑条件下化学成分对Cu-Pb合金摩擦磨损性能的影响

6.2.2 无润滑条件下的Cu-Pb合金的摩擦磨损形貌分析

6.3 油润滑条件下Cu-Pb合金的摩擦磨损性能

6.3.1 油润滑条件下化学成分对Cu-Pb合金摩擦磨损性能的影响

6.3.2 油润滑条件下的Cu-Pb合金的摩擦磨损形貌分析

6.4 本章小结

结论

参考文献

附录A

附录B

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历