深过冷Ni-Cu合金微观组织与凝固速率的研究

摘要

本文以Ni-Cu合金为研究对象，分别采用原位熔炼、电弧熔炼，结合净化玻璃和循环过热的方法使Ni80Cu20合金、Ni95Cu5合金获得最大300K的过冷。研究了Ni-Cu合金在过冷度范围内的微观组织演化,组织转变机制,并用BCT模型预测了过冷熔体中的枝晶生长。采用再辉前淬火加退火的方法验证了大过冷下晶粒细化的再结晶机制。采用净化玻璃和循环过热结合高速照相机拍摄了Ni80Cu20合金、Ni95Cu5合金深过冷凝固过程并计算了凝固速率。 Ni80Cu20合金，Ni95Cu5合金微观组织在所测过冷度范围内经历了四种转变，出现了两次晶粒细化。Ni80Cu20合金晶粒细化的临界过冷度范围分别为50K＜△T＜90K和△T＞165K。Ni95Cu5合金晶粒细化的临界过冷度范围分别为20K＜△T＜50K和△T＞160K。根据Li的模型计算的Ni95Cu5合金快速凝固过程中无量纲过热与过冷度的关系表明，小过冷度下的晶粒细化是由于枝晶过热重熔产生的。根据Liu的模型计算的Ni95Cu5合金深过冷凝固过程中固相分数与过冷度的关系表明，大过冷度下的晶粒细化是由于应力诱导再结晶产生的。 采用淬火加退火的方法验证大过冷度下晶粒细化的再结晶的机制。对Ni80Cu20合金再辉前淬火，尽可能的将快速凝固组织保存下来。同时对淬冷合金退火，退火后的微观组织内等轴晶粒明显增多，且出现了退火孪晶。此外，退火后合金的硬度减小，变形区域与亚结构区域减小，晶粒晶界的平直化也说明发生了再结晶。Ni95Cu5合金大过冷细化组织内退火孪晶，亚晶粒的出现，以及大过冷晶粒细化的过冷度范围内合金硬度的突然降低也表明发生了再结晶。 Ni80Cu20合金，Ni95Cu5合金的凝固速率整体上随过冷度的增加而增加，且与过冷度的关系图中都出现了平台阶段（中等过冷度范围内）与突变阶段（临界过冷度），并且随着合金溶质浓度的增加，凝固速率发生突变的范围增加。两种合金在过冷度范围内，凝固速率的计算值与过冷度呈现幂函数的关系。 计算了Ni-Cu合金溶质分配系数k与凝固速率的关系。在同一溶质浓度下，k随凝固速率的增加而增加，当凝固速率增加到液相中溶质扩散速度VD时，k增加到1，发生了完全溶质截留。此外，随着溶质浓度的增加，相同凝固速率下产生的溶质截留效应越明显。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 深过冷快速凝固

1.1.1 深过冷的获得

1.2 深过冷枝晶长大模型

1.3 深过冷凝固组织

1.4 深过冷凝固晶粒细化

1.4.1 深过冷凝固晶粒细化研究现状

1.4.2 晶粒细化机制研究

1.4.3 晶粒细化再结晶机制

1.5 深过冷凝固速率

1.5.1 凝固速率计算

1.5.2 凝固速率研究现状

1.6 研究背景及内容

第二章 实验方法

2.1 合金系的选择

2.2 实验设备

2.2.1 熔炼装置

2.2.2 深过冷实验装置

2.3 实验方法

2.3.1 深过冷实验

2.3.2 凝固速率计算

2.4 技术路线

第三章 过冷镍铜合金微观组织

3.1 组织演化

3.1.1 Ni80Cu20合金

3.1.2 Ni95Cu5合金

3.1.3 Ni80Cu20合金、Ni95Cu5合金微观组织比较

3.2 过冷熔体枝晶生长理论计算

3.3 晶粒细化机制

3.3.1 小过冷度枝晶熔断机制

3.3.2 大过冷度应力累积

3.4 本章总结

第四章 大过冷晶粒细化再结晶机制

4.1 Ni80Cu20合金

4.1.1 金相分析

4.1.2 EBSD分析

4.2 Ni95Cu5合金

4.2.1 溶质再分配

4.2.2硬度分析

4.2.3 晶粒细化再结晶机制

4.3 本章总结

第五章 过冷镍铜合金凝固速率计算

5.1 Ni80Cu20合金

5.1.1 Ni80Cu20合金冷却曲线

5.1.2 Ni80Cu20合金宏观固液界面

5.1.3 Ni80Cu20合金凝固速率

5.2 Ni95Cu5合金

5.2.1 Ni95Cu5合金冷却曲线

5.2.2 Ni95Cu5合金宏观固液界面

5.2.3 Ni95Cu5合金凝固速率

5.3 Ni95Cu5合金、Ni80Cu20合金凝固速率比较

5.4 本章总结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢