空间模拟条件下共晶和偏晶合金的快速凝固

摘要

本文采用落管无容器处理实验方法模拟空间环境，对Co-Ge和Al-Ge共晶合金系以及Fe-Sn和Cu-Pb偏晶合金系进行了快速凝固研究。主要取得以下研究成果：通过研究Co-29.7％Ge共晶和Co-33％Ge过共晶合金的快速凝固过程，揭示了共晶和枝晶快速生长的特征及其组织演变规律。随着过冷度的增大，Co-29.7％Ge共晶组织发生“层片共晶→不规则共晶”的转变。Co-33％Ge过共晶合金中初生β-Co5Ge3相的快速凝固组织从柱状枝晶转变为等轴枝晶。当△T＜172K时，β-Co5Ge3枝晶的生长主要受溶质扩散控制；一旦△T＞172K，发生溶质扩散控制向热扩散控制生长的转变。计算确定出共生区的成分范围为25.7～31.4％Ge，温度范围为1381～1158K。 深入分析了Al-45％Ge亚共晶和Al-51.6％Ge共晶的快速生长形态转变规律及其与过冷度的关系。对于Al-51.6％Ge共晶合金，随过冷度的增大，组织形态由层片共晶向不规则共晶转变。形成不规则共晶的临界过冷度为.101K，这与共生区的下限过冷度相一致。Al-45％Ge亚共晶合金中初生(Al)相由柱状枝晶向等轴枝晶转变，其生长始终受溶质扩散控制。共生区成分范围为48～59％Ge，温度范围为693～583K，偏向富Ge一侧。 系统研究了Fe-Sn偏晶合金系中六种不同成分合金的无容器快速凝固过程，揭示出其组织形态转变规律和相分离机制。Fe-48.8％Sn偏晶合金在过冷度较小时，凝固组织由α-Fe相和富Sn相形成的纤维状两相共生组织和富Sn相颗粒分布在α-Fe基底上形成的组织共同构成。在过冷度较大时，凝固组织全部为富Sn相的颗粒状组织均匀弥散分布在α-Fe基底上。在过冷度中等时，形成完全呈共生生长的凝固组织。Fe-15.6％Sn和Fe-40％Sn亚偏晶合金的凝固过程同亚共晶合金类似，主要以枝晶生长为主，枝晶组织随着过冷度的增大显著细化。Fe-58％Sn和Fe-85.1％Sn过偏晶合金的凝固组织表现为柱状α-Fe枝晶和球形颗粒状组织分布在富Sn相基底上。α-Fe枝晶随过冷度的增大碎断细化。不混溶间隙最高点成分Fe-68％Sn过偏晶合金的微观形貌呈现出两层和三层的壳核组织。 对Cu-10％Pb亚偏晶、Cu-37.4％Pb偏晶和不混溶间隙最高点成分Cu-64％Pb过偏晶合金的快速凝固组织进行了研究。结果表明，Cu-10％Pb亚偏晶合金中(Cu)相总是以枝晶的方式生长，富Pb相主要在枝晶间生成，(Cu)相的生长形态随过冷度增大从粗大的枝晶组织演变到等轴晶。Cu-37.4％Pb偏晶合金，随着过冷度的增大，具有单个偏晶胞组织的粒子数目增加，而含多个偏晶胞组织的粒子数目则是先增加后减少，总趋势是向单个偏晶胞组织发展。说明偏晶胞是快速凝固过程中的产物。Cu-64％Pb过偏晶合金的微观组织呈现出两层和三层的壳核组织。 在快速凝固过程中，两种共晶组织随过冷度的增大由层片共晶向不规则共晶的转变由无容器状态产生深过冷引起，受微重力效应的影响不明显。落管微重力无容器条件下，两种偏晶合金均形成纤维状类似共晶形貌的凝固组织。说明这种组织的形成机制与共晶相似，都是两相共生生长的结果。两个偏晶系的不混溶间隙最高点成分合金都形成了两层和三层的壳核组织，分析认为主要形成机制是液相分离过程中的Marangoni迁移。

目录

文摘

英文文摘

本文的主要成果与创新之处

第一章文献综述

1.1引言

1.2液态金属的深过冷与快速凝固

1.2.1深过冷的意义和快速凝固特征

1.2.2空间环境中金属的深过冷与快速凝固

1.2.3空间快速凝固地面模拟实验技术

1.3二元共晶合金的深过冷与快速凝固研究

1.3.1快速枝晶生长

1.3.2快速共晶生长

1.4偏晶合金的深过冷与快速凝固

1.4.1偏晶转变的特点

1.4.2偏晶合金的深过冷与快速凝固

1.5本文的研究目标及课题来源

参考文献

第二章研究方案与实验装置

2.1研究对象

2.2研究方案

2.2.1实验装置及实验方法

2.2.2凝固组织分析

2.3本章小结

参考文献

第三章落管中Co-Ge共晶合金的快速凝固及组织演变规律

3.1引言

3.2合金成分的选择

3.3 Co-29.7％Ge共晶合金的无容器快速凝固

3.3.1快速凝固组织演变

3.3.2共晶共生区的确定

3.3.3过冷度和冷却速率的计算

3.4 Co-33％Ge过共晶合金的无容器快速凝固

3.4.1快速凝固组织演变

3.4.2过冷度和冷却速率的计算

3.4.3快速枝晶生长动力学分析

3.5本章小结

参考文献

第四章无容器条件下Al-Ge二元共晶的快速生长

4.1引言

4.2合金成分的选择

4.3 Al-45％Ge亚共晶合金的无容器快速凝固

4.3.1快速生长组织演变

4.3.2液滴过冷度的计算

4.3.3快速枝晶生长动力学分析

4.4 Al-51.6％Ge共晶合金的无容器快速凝固

4.4.1快速共晶生长形态转变

4.4.2快速生长过程的过冷度和冷却速率

4.4.3共晶共生区的计算

4.5本章小结

参考文献

第五章Fe-Sn偏晶合金快速凝固研究

5.1引言

5.2合金成分的选择

5.3偏晶合金Fe-48.8％Sn的快速凝固

5.3.1微观形貌演变规律

5.3.2偏晶合金液滴过冷度和冷却速率的计算

5.3.3形核率的计算

5.3.4微重力条件下的Marangoni对流

5.4亚偏晶合金Fe-15.6％Sn和Fe-40％Sn的快速凝固

5.4.1快速凝固组织形貌

5.4.2亚偏晶合金液滴过冷度和冷却速率的计算

5.4.3枝晶生长动力学

5.5过偏晶合金Fe-58％Sn和Fe-85.1％Sn的快速凝固

5.5.1过偏晶合金液滴过冷度和冷却速率

5.5.2组织形态转变

5.6过偏晶合金Fe-68％Sn中壳核组织的探讨

5.6.1微观组织特征

5.6.2微重力条件下的Marangoni迁移

5.6.3液滴过冷度和冷却速率的计算

5.7本章小结

参考文献

第六章Cu-Pb偏晶合金的无容器快速凝固

6.1引言

6.2合金成分的选择

6.3三种所选合金过冷度和冷却速率的计算

6.4 Cu-10％Pb亚偏晶的无容器快速生长

6.4.1组织形态转变

6.4.2快速枝晶生长的动力学特征

6.5 Cu-37.4％Pb偏晶的无容器快速生长

6.5.1偏晶的组织形貌和生长机制

6.5.2形核率的计算

6.6 Cu-64％Pb过偏晶中壳核组织的探讨

6.6.1微观形貌特征

6.6.2微重力条件下的Marangoni迁移

6.7本章小结

参考文献

第七章结论

致谢

攻读博士学位期间发表的论文

作者简历

西北工业大学学位论文知识产权声明书及西北工业大学学位论文原创性声明