Al/Fe、Al/Ni、Al/Ti液、固界面扩散溶解层研究

摘要

二元金属液/固界面异类原子的扩散溶解现象在材料工程上有极其广泛的应用。将二元金属液/固体系置于一定温度并且保温一定时间，则在液/固界面将发生异类原子的扩散与溶解，大多数二元金属体系会形成金属间化合物新相区-扩散溶解层。扩散溶解层的组织和性能对最终产品的质量起着至关重要的影响。因此，研究界面区金属间化合物新相的形成机理，并对扩散溶解层的组织加以预测和控制具有非常重要的理论和现实意义。但到目前为止，对二元金属液/固界面异类原子的扩散溶解问题还没有形成规律性的认识，在理论上尚不成熟，更不能广泛的用来指导工业生产。
　　 本文选择应用极为广泛的Al-Fe、Al-Ni、Al-Ti二元系为实验对象，根据热处理实验结果，分析了Al/Fe、Al/Ni、Al/Ti液/固界面扩散溶解层的形成机理、生长机制及组织结构演变，建立了扩散溶解层的生长动力学方程。此外，采用余瑞璜的固体与分子经验电子理论计算了Al-Fe、Al-Ni、Al-Ti二元系金属间化合物的价电子结构、键能、结合能和生成热，提出了界面新生相析出顺序的EET模型最小生成热判据，从价电子理论角度分析了Al/Fe、Al/Ni、Al/Ti液/固界面新生相的形成及生长，利用EET模型最小生成热判据对Al/Fe、Al/Ni、Al/Ti界面新生相的析出顺序进行了预测，预测结果和实验结果吻合。
　　 在分析Al/Fe、Al/Ni、Al/Ti液/固扩散偶实验结果的基础上，得出在A/B二元金属液/固界面，金属间化合物初生相析出的动力学条件是B原子向液相A中溶解直至界面处的液相达到饱和，热力学条件是EET模型生成热为负并且在同一体系的所有金属间化合物中其EET模型生成热最小。如果初生相与液相在相图上不存在两相共存区，初生相将形成连续单相层，反之，将形成初生相与液相的混合组织区。在动力学条件满足的情况下，在新的界面还将按照EET模型最小生成热判据顺序析出新的化合物相。
　　 晶体的本征性能与其价电子结构密切相关，提出了表征晶体强度、硬度、塑性和稳定性的价电子结构因子，并给出了四个价电子结构因子的数学表达式。晶体的强度取决于晶体中的共价电子密度，共价电子密度越大，强度越高；硬度取决于原子平均键合能，原子平均键合能越大，硬度越高；塑性与晶格电子密度、共价键结构对称性和强度对称性有关，晶格电子密度越大，共价键结构对称性和强度对称越高，塑性越好；稳定性则由原子平均成键能力决定，原子平均成键能力越强，稳定性越好。根据提出的表征晶体性能的价电子结构因子的数学表达式，计算了Al-Fe、Al-Ni、Al-Ti二元系金属间化合物的价电子结构强度因子、硬度因子、塑性因子以及稳定性因子，并以此为依据分析了同体系金属间化合物的相对性能，分析结果与实验结果吻合。
　　 知道了A/B二元金属液/固界面新生相的形成条件、析出顺序及相关性能，就可以根据材料使用工况的要求，通过控制液相A和固相B的相对量、热处理温度和保温时间得到所需要的组织结构。因此，对生产工艺的制定和产品性能的预测具有重要的理论指导意义。

目录

文摘

英文文摘

论文创新点摘要

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 异相界面扩散溶解现象的研究现状

1.3 液/固界面扩散的工程应用

1.4 Al-Fe、Al-Ni、Al-Ti二元合金体系研究现状

1.5 固体与分子经验电子理论

1.5.1 电子理论的发展

1.5.2 EET的基本思想

1.5.3 EET描述原子状态的参量

1.5.4 EET的四个基本假设

1.5.5 键距差(BLD)方法

1.6 本课题的研究方法及主要内容

1.6.1 实验研究方法

1.6.2 理论研究方法

1.6.3 研究内容

第二章 实验方法与测试技术

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.2.1 扩散溶解层制取设备

2.2.2 扩散溶解层测试设备

2.3 实验方法

2.3.1 扩散偶的制备

2.3.2 扩散偶的扩散热处理

2.3.3 金相试样的制备

2.3.4 金相试样的观察与测试

2.3.5 扩散溶解层的组织结构分析

2.4 本章小结

第三章 Al/Fe液/固界面组织结构演变及生长规律

3.1 引言

3.2 Al-Fe二元相图

3.3 Al/Fe液/固界面扩散溶解层形貌特征

3.4 Al/Fe扩散溶解层组织结构

3.5 Al/Fe扩散溶解层组织结构演变及形成机理

3.6 Al层组织特征分析

3.7 Al层中无析出区形成机理分析

3.8 Al/Fe扩散溶解层生长动力学分析

3.8.1 热处理温度和保温时间对Al/Fe扩散溶解层厚度的影响

3.8.2 Al/Fe扩散溶解层生长动力学模型

3.9 本章小结

第四章 Al/Ni液/固界面组织结构演变及生长规律

4.1 引言

4.2 Al-Ni二元相图

4.3 Al/Ni液/固界面扩散溶解层形貌特征

4.4 Al/Ni液/固界面扩散溶解层组织结构

4.5 Al/Ni液/固界面组织结构演变及形成机理

4.6 Al/Ni液/固界面扩散溶解层生长动力学分析

4.6.1 热处理温度和保温时间对Al/Ni扩散溶解层厚度的影响

4.6.2 Al/Ni扩散溶解层生长动力学模型

4.7 本章小结

第五章 Al/Ti液/固界面组织结构演变及生长规律

5.1 引言

5.2 Al-Ti二元相图

5.3 Al/Ti液/固界面扩散溶解层形貌特征

5.4 Al/Ti扩散溶解层组织结构

5.5 Al/Ti扩散偶组织结构演变及形成机理

5.6 Al/Ti液/固界面扩散溶解层生长动力学分析

5.6.1 热处理温度和保温时间对Al/Ti扩散溶解层厚度的影响

5.6.2 Al/Ti扩散溶解层生长动力学分析

5.7 本章小结

第六章 价电子结构、键能及晶体结合能计算

6.1 晶体结构及原子坐标

6.1.1 Al-Fe二元系各相晶体结构及原子坐标

6.1.2 Al-Ni二元系各相晶体结构及原子坐标

6.1.3 Al-Ti二元系各相晶体结构及原子坐标

6.2 实验键距及等同键数

6.2.1 实验键距及等同键数的计算方法-原子环境计算

6.2.2 Al-Fe二元系各相晶体的空间键络分布

6.2.3 Al-Ni二元系各相晶体空间的键络分布

6.2.4 Al-Ti二元系各相晶体空间的键络分布

6.3 价电子结构计算

6.3.1 价电子结构计算方法

6.3.2 Al-Fe二元系各相的价电子结构

6.3.3 Al-Ni二元系各相的价电子结构

6.3.4 Al-Ti二元系各相的价电子结构

6.4 键能及晶体结合能计算

6.4.1 键能计算

6.4.2 晶体结合能计算

6.5 本章小结

第七章 界面扩散反应的价电子理论分析

7.1 界面扩散溶解层新生相判据

7.2 初生相形核孕育时间

7.3 扩散溶解层的生长速度

7.4 本章小结

第八章 界面新生相本征性能的价电子理论分析

8.1 价电子结构与性能的关系

8.1.1 价电子结构与强度

8.1.2 价电子结构与硬度

8.1.3 价电子结构与塑性

8.1.4 价电子结构与稳定性

8.2 Al/Fe界面析出相的性能分析

8.3 Al/Ni界面析出相的性能分析

8.4 Al/Ti界面析出相的性能分析

8.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

作者简介