强磁场下Zn-2wt％Cu包晶合金定向凝固研究

摘要

包晶凝固是一种十分重要的相变过程，许多结构材料和功能材料的加工过程均涉及到包晶反应。近年来人们发现，通过包晶凝固可以获得丰富多彩的凝固组织：初生相枝晶外包覆包晶相、稳定或亚稳相的单相枝晶、包晶相在初生相基体中弥散分布、垂直于生长方向的带状结构、与共晶层状结构类似的层片状组织。其组织变化与溶质扩散和晶体结构等密切相关。而强磁场可直接或间接影响结晶中溶质传输，改变晶体结晶取向，甚至界面张力，因此可望明显影响包晶凝固。但至今关于强磁场对包晶凝固组织的影响缺乏详尽的研究。 为了对强磁场下包晶合金的凝固组织演化、组织及相选择规律进行探索研究，本文以亚包晶Zn-2.0wt％Cu合金为实验合金，在不同的温度梯度、磁场强度和凝固速度下进行了定向凝固实验，考察其组织变化规律。 实验采用超导强磁场定向凝固炉，其中的磁场强度最高可达14T，磁场方向与定向凝固方向一致。凝固界面前温度梯度为44K/cm，定向凝固速度范围为2μm/s～1600μm/s，液淬速度为15mm/s，冷却介质为Ga-In-Sn液态金属，使得加热炉中液态金属由下而上定向凝固。用化学分析法测定Zn-Cu合金宏观材料成分，用金相显微镜和扫描电镜观察微观组织，用X射线衍射仪测定晶体取向关系。 实验结果表明：在低(2μm/s)的凝固速度下，无磁场和磁场强度较小(2T)时，组织以平界面方式生长，在外加6T的强磁场时，组织依然以平界面方式生长，但是出现了低速带状组织，并且随着磁场强度的增加，带状组织变得明显，带状间距变小；在较高的凝固速度(10μm/s)下，无磁场得组织以胞晶方式生长，有磁场的组织则以异常枝晶的方式生长；在更高的凝固速度下(≥50μm/s)无论是否有磁场，组织都以枝晶方式生长时，外加磁场使得枝晶更加发达，枝晶尖端曲率半径减小。 实验结果表明，磁场具有改变晶体取向的作用。在凝固速度为2μm/s时，磁场对晶体取向作用并不是很明显；当凝固速度为50μm/s时无磁场时晶体基本以垂直c轴方向生长，即沿a、b轴生长；当施加强磁场后，晶体趋于以平行c轴方向生长，说明强磁场影响了生长的最优方向和晶体取向。

目录

文摘

英文文摘

第一章引言

第二章文献综述

2.1强磁场的应用

2.1.1引言

2.1.2强磁场在材料科学中的现状

2.1.3强磁场对材料取向的影响

2.1.4强磁场对对流的影响

2.1.5强磁场对液态下晶体生长的影响

2.2包晶凝固的研究

2.2.1包晶凝固的基本特点

2.2.2包晶凝固机理

2.2.3低速带状结构与共生生长

2.3选题依据和主要工作任务

第三章实验

3.1研究内容

3.2合金的选定

3.3实验方案

3.3.1原始试样的制备

3.3.2实验设备

3.3.3原始试样的定向凝固

3.4金相处理及分析

第四章实验结果

4.1有(10T)无磁场下合金微观组织的对比

4.2固液界面形貌变化

4.3不同磁场下的凝固组织

4.3.1拉速为2 μ m/s的组织

4.3.2拉速为10 μ m/s的凝固组织

4.3.3拉速为50um/s的组织

4.3.4拉速为100um/s的组织

4.4 X射线分析

4.5本章小结

第五章理论分析

5.1强磁场下的带状组织

5.2强磁场对枝晶形貌的影响

5.2.1强磁场促进枝晶的形成

5.2.2热电磁效应

5.3强磁场对晶体取向的影响

5.3.1抗磁磁各向异性晶体的旋转取向模型

5.3.2合金中磁各向异性晶体旋转取向的影响因素

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

附录

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢