金属微纳液滴凝固特性与组织研究

摘要

金属微纳液滴凝固特性和组织随尺寸减小发生转变，然而传统制备金属微纳液滴方法难以实现尺寸与冷却速率的分离，因而分别独立就液滴尺寸与冷却速率对金属凝固特性和组织影响的研究尚未有过报道。本文提出了溶液包裹液淬法，实现了液滴尺寸与冷却速率的分离，分别探讨了尺寸与冷却速率在液滴凝固过程中的作用。此外，本文开发了溶液包裹电弧法制备纳米液滴，并对其凝固过程与组织进行了探索。 本文首先研究了微米液滴的凝固特性。在简化液滴凝固过冷度数学模型和建立相对过冷度数学模型的基础上，分析了快速冷却条件下液滴凝固过冷度的影响因素及其变化本质，并定义了影响因子ζ=<,SL><'3>/(T<,L>△H<'2>)来进行描述。理论研究表明，影响因子ζ越大，金属液滴凝固的相对过冷度△T/T<,L>就越大。由于金属液滴快速凝固的特性参数如结晶潜热△H和固液界面能σ<,SL>等会随着凝固条件的不同而发生变化，金属液滴快速凝固的过冷度随凝固条件的不同而发生改变。实验研究表明，当液滴尺寸减小时，金属液滴熔化温度基本保持不变，凝固过冷度呈指数函数规律增大，并在20 μm处发生突变；当冷却速率提高时，过冷度增大，但增大的趋势趋于减小。作者认为，当冷却速率趋于无限大时，过冷度存在某一上限极值。 研究了高压气体雾化法制备的Sn<,43>Bi<,57>合金微米液滴凝固组织，并探讨了其形成机制。Sn<,43>Bi<,57>合金液滴凝固组织由固溶体富Sn相和固溶体富Bi相组成，随着液滴尺寸的减小，凝固组织从直径尺寸>20μm的不规则共晶枝晶向直径<15μm液滴尺寸的等轴枝晶转变。采用牛顿冷却数学模型和简化的过冷度数学模型对不同尺寸的合金液滴冷却速率和过冷度进行了计算，结果表明，当液滴尺寸减小时，过冷度和冷却速率随着增大，当液滴尺寸减小至20μm时，凝固过冷度和冷却速率均迅速提高，因而导致液滴凝固组织在20μm处产生较大的变化。当合金成分一定时，液滴尺寸与冷却速率的耦合作用是雾化液滴凝固组织转变的外因，耦合作用导致的过冷度提高是凝固组织转变的内因。 液滴尺寸与冷却速率的耦合作用，不仅使凝固组织形貌发生转变，而且使凝固组织得到了细化。然而，由于传统雾化法制备的金属液滴尺寸通常>lOμm，限制了冷却速率的进一步提高，因而制约了金属凝固组织的进一步细化。为此，本文开发了溶液包裹电弧法，其冷却速率较雾化方法得到了更大的提高，并简单有效的制备了凝固组织细化程度远大于相同尺寸或更小尺寸的雾化液滴。溶液包裹电弧法不仅可用于微米液滴制备并获得超细凝固组织，还可用于制备纳米液滴。金属液滴快速凝固过程中，尺寸减小与冷却速率增大并存，给独立研究尺寸与冷却速率两大因素对金属凝固组织的影响带来了困难。为此，本文提出了溶液包裹液淬法，通过控制液淬温度来改变液滴传热的边界条件，结合理论计算，实现冷却速率与液滴尺寸的分离，并分别研究了冷却速率和液滴尺寸在凝固过程及组织转变中的作用。结果表明，液滴尺寸的减小和冷却速率的提高，最终是通过增大过冷度促使凝固组织发生转变。本文实验条件下，液滴尺寸的减小对过冷度的贡献较冷却速率的提高更大。 为了研究尺寸更小的纳米金属液滴的凝固特性和组织，采用电弧法制备了Sn基合金纳米液滴。EDS能谱和XRD衍射结果显示Sn基合金纳米液滴无氧化物新相，表明采用该技术制备的Sn基合金纳米液滴氧化程度较低。因此，溶液包裹电弧法是一种制备纳米液滴的有效方法。进一步对溶液包裹电弧法制备的Sn<,43>Bi<,57>合金纳米液滴凝固组织进行了研究，结果显示，Sn<,43>Bi<,57>合金纳米液滴分别由单晶结构的固溶体Bi相和多晶结构的固溶体β-Sn相组成，且两者发生了相分离，分别以独立的富Bi相和富Sn相纳米颗粒存在。 综合比较了雾化、电弧和液淬法液滴凝固过程与组织。结果发现，液淬法与电弧法微米液滴凝固组织细化程度均大于相同尺寸雾化法微米液滴凝固组织，同时也大于较小尺寸下的雾化微米液滴凝固组织细化程度，且液淬与电弧液滴获得了具有大量纳米尺寸的β-Sn相凝固组织。不仅如此，液淬法与电弧法由于液滴制备过程中无强烈的冲击，因此，熔融液滴在其自身表面张力和溶剂静水压力的共同作用之下，可获得球形度较为圆整的颗粒粉末。然而，与雾化法、液淬法不同，电弧法不仅可以实现微米液滴的制备，还可以制备出纳米液滴。

目录

文摘

英文文摘

声明

本文的主要创新点

第一章绪论

1.1引言

1.2金属微纳液滴凝固的研究进展

1.2.1金属凝固微纳液滴的制备

1.2.2金属微纳液滴的凝固组织

1.2.3金属微纳液滴的凝固特性

1.3金属微纳液滴凝固有待研究的问题

1.4本文的主要研究内容

第二章研究方案与实验方法

2.1研究对象

2.2研究方案与实验方法

2.2.1微纳液滴制备

2.2.2实验测试方法

2.3本章小结

第三章微米金属液滴凝固特性研究

3.1引言

3.2金属微米液滴凝固过冷度

3.2.1过冷度数学模型的简化与计算

3.2.2过冷度的影响因素及其变化规律

3.3金属微米液滴结晶潜热

3.3.1液滴尺寸对潜热的影响

3.3.2冷却速率对潜热的影响

3.4金属微米液滴凝固激活能

3.5实验数据拟合误差分析

3.6本章小结

第四章微米金属液滴凝固组织研究

4.1引言

4.2雾化过程中液滴尺寸与冷却速率对凝固组织的影响

4.2.1液滴尺寸与冷却速率对凝固组织转变规律的影响

4.2.2液滴尺寸与冷却速率对凝固组织转变机理的影响

4.3电弧法制备过程中液滴尺寸与冷却速率对凝固组织的影响

4.4液淬过程中液滴尺寸与冷却速率对凝固组织的影响

4.4.1液滴尺寸与冷却速率的分离

4.4.2液滴尺寸与冷却速率在凝固过程中的作用

4.5本章小结

第五章纳米金属液滴凝固过程与组织研究

5.1引言

5.2纳米液滴的形成过程

5.3纳米液滴的微观结构

5.3.1单晶结构

5.3.2多晶结构

5.3.3单晶与多晶结构的形成

5.4纳米液滴的熔化温度

5.5本章小结

第六章雾化、液淬、电弧液滴凝固过程与组织比较

6.1引言

6.2雾化、液淬、电弧金属微纳液滴的粒度分布

6.3雾化、液淬及电弧微米液滴凝固形貌与组织

6.3.1雾化、液淬及电弧微米凝固液滴表面形貌

6.3.2雾化、液淬及电弧微米液滴凝固组织

6.3.3雾化、液淬及电弧微纳凝固液滴氧化分析

6.4本章小结

第七章结论

参考文献

作者在攻读学位期间取得的成果

致 谢

作者简历