定向凝固Al-13﹪Si合金共晶界面形貌的研究

摘要

在改进的XrGS（X-Ray Temperature Gradient Stage）上对合金Al-13％Si进行定向凝固实验，通过合金成分设计，温度梯度GL和凝固速度R的改变，获得了定向凝固条件下共晶体平界面、胞状、柱状树枝晶、等轴晶不同形貌的实验条件。有效获得了Al-Si共晶体系（非小面-小面体系）中胞状共晶体和枝状共晶体的清晰形貌。利用金相显微镜、体视显微镜等手段，初步认识了温度梯度、生长速度和合金成分对共晶凝固模式的影响，掌握了一些基本规律，为下一步研究共晶凝固模式与孔洞形成的关系打下了良好的基础。 在同一凝固条件下，Al-13％Si合金中不同Sr加入量（0．06％，0．15％，0．2％，0．25％）的定向凝固实验证明，当Sr加入量为0．2％时，可以得到变质良好的共晶组织，使小面-非小面的界面性质发生改变。同时观察到此条件下得到了胞状树枝晶组织。此外，对不同Mg含量（0、0．35％、0．45％、0．6％）的Al-13％Si合金进行试验，定向凝固后共晶界面形貌依次为典型的胞状晶、分枝发达的柱状树枝晶、不规则等轴枝晶和细小的等轴共晶团。 选取的不同成分的（0．2Sr、0．25Sr、0．2Sr-0．35Mg、0．2Sr-0．45）Al-13％Si合金，通过改变凝固条件，分别研究GL和R对共晶界面形貌的影响。实验结果表明，GL和R的影响符合经典的界面稳定性理论，随着R的增大和GL的减小，界面前沿成分过冷变大，界面形貌经历了从平界面失稳到胞状晶、胞状树枝晶、柱状树枝晶、扁长的等轴晶和等轴共晶等典型的界面形貌变化。 结合共晶合金成分过冷式分析了影响共晶凝固界面形貌的几个因素：合金成分、温度梯度GL和凝固速度R，得出了共晶界面形貌的分布图。计算界面失稳得到的斜率为10-5，与文献发表的溶质扩散系数的数量级相同。探讨了影响胞/枝晶间距和等轴晶大小的因素，GL和R的增大均可以使胞枝晶间距和等轴晶直径减小。等轴晶存在两种形态：等轴枝品结构和等轴共品包团，但其形成机理尚待研究。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 铸造铝硅合金及其应用

1.2 共晶形核与生长

1.2.1 共晶机制研究现状

1.2.2 变质机理研究

1.3 定向凝固技术

1.3.1 定向凝固技术的应用与发展

1.3.2 界面前沿温度梯度的测定与影响因素

1.4 界面稳定性理论和界面形貌演化

1.4.1 界面稳定性理论的发展

1.4.2 界面形貌转变

1.5 多元合金的共晶凝固界面形貌及演化

1.6 本课题的研究背景和研究内容

1.6.1 研究背景

1.6.2 研究内容

第二章 实验研究方法及设备改进

2.1 实验方案

2.1.1 工艺路线

2.1.2 合金成分设计及熔炼工艺

2.1.3 定向凝固实验

2.1.4 界面形貌与组织观察

2.2 原材料及实验设备

2.2.1 原材料

2.2.2 主要设备

2.3 XTGS设备及改进

2.3.1. XTGS装置的基本结构

2.3.2 XTGS设备改进

第三章 合金成分对定向凝固共晶界面形貌和组织的影响

3.1 凝固速度和Sr含量对Al-13％Si组织的影响

3.1.1 凝固条件和Sr变质对合金组织影响

3.1.2 Sr的变质与烧损

3.1.3 变质机理探讨

3.2 Sr对定向凝固共晶界面形貌的影响

3.3 Mg对定向凝固共晶界面形貌的影响

3.4 本章小结

第四章 凝固条件对定向凝固共晶界面形貌的影响

4.1 凝固速度对定向凝固共晶界面形貌的影响

4.1.1 Al-13Si-0.2Sr合金

4.1.2 Al-13Si-0.2Sr-0.35Mg合金

4.2 温度梯度对定向凝固共晶界面形貌的影响

4.2.1 Al-13Si-0.2Sr-0.35Mg合金

4.2.2 Al-13Si-0.2Sr-0.35Mg合金

4.2.3 不含Mg合金

4.3 本章小结

第五章 共晶界面形貌的转变

5.1 影响共晶界面形貌的各因素

5.2 共晶界面形貌演化过程分析

5.2.1 平界面失稳和胞/枝晶演化

5.2.2 胞/枝晶间距

5.2.3 等轴晶形成及晶粒尺寸

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间已发表的论文