Al及其合金异质形核过冷度与形核界面的相关性

摘要

形核问题一直在金属凝固过程研究中占有重要地位，而界面行为是影响形核的主要因素。本文主要研究Al熔体形核过程中的界面特征及其影响因素，用气悬浮技术测得了纯Al及其添加了合金元素(Ti、Ce、Sb)的合金的本征过冷度，并选用不同取向的氧化物单晶(六种取向的Al2O3和三种取向的MgO)作为基底，测定了高真空环境下异质相基底触发金属熔体形核的过冷度及熔体与异质相基底之间的润湿角，运用SEM(Scanning Electronic Microscopy)，EDS(Energy Dispersive Spectrometer)，XRD(X-Ray Diffraction)，TEM(Transmission Electron Microscopy)，HRTEM(High Resolution Transmission Electron Microscopy)等方式考察了界面微观结构和生成相，并基于Bramfitt的二维晶格匹配模型，异质相外延形核等模型探讨了形核相与异质相间的晶格匹配度与异质相触发形核的过冷度、形核机制、熔体/异质相间润湿性的关系以及合金元素对形核过程的影响。获得了如下主要结果：
　　1.在界面晶格错配度较小(f<14％)的情况下，过冷度和晶格错配度的平方成正比：与形核相晶格匹配度越好的异质相，其触发形核所需的过冷度越小，随着晶格错配度的增加，所需形核过冷度逐渐增大。而当f>14%时，上述基体触发熔体形核的过冷度随着错配度的增加而减小。
　　2.通过TEM的观察，在f<14%时，Al/Al2O3的界面是平直的，新相Al直接在Al2O3的表面形核生长，未出现中间应变层；在f>14%时，形核界面处发现一层几十到几百纳米厚度的存在应变的Al中间层，这层应变层充满微孪晶缺陷。
　　3.新相和基底存在错配时最先生成的应变层可以通过原子的晶格畸变、引入位错或孪晶等晶体缺陷来释放新相与基底之间的界面能。
　　当晶格错配度f<3.1%时，界面能可以通过新相晶格的弹性畸变能和错配能完全释放，即Etotal=Eε+Em。
　　当晶格错配度在3.1%　　当晶格错配度在5.8%　　当晶格错配度f>14%时，界面能通过晶格的弹性应变能和引入孪晶的孪晶能释放，即Etotal=Es+ET。
　　4. Al/MgO异质形核体系其形核过冷度不受基体MgO的晶格取向影响，其原因在于界面处生成 MgAl2O4层。该层 MgAl2O4覆盖了整个Al/MgO界面，成为新的形核基底。因此即使采用不同的MgO基底，其得到Al熔体形核的过冷度趋于一致。
　　5.合金元素的添加可以通过生成新的金属间化合物影响形核过程，从而改变熔体形核的过冷度及晶粒取向。
　　6.对润湿角的测量发现 Al熔体对不同取向的单晶氧化物的润湿性存在差异。比较连续的中间Al层对于润湿性有很大的改善，不存在中间层时，润湿性随着错配度的增加而变差。

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第一章 绪 论

1.1 选题意义

1.2 异质形核的基本理论及研究进展

1.3熔体中的夹杂

1.4 研究内容

参考文献

第二章 实验材料、设备与研究方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备与装置

2.3 分析测试技术

参考文献

第三章 不同异质相触发纯铝形核的过冷度

3.1 引言

3.2 过冷度测量的实验方案

3.3 纯铝及三种铝合金的气悬浮过冷度

3.4 异质形核的确定

3.5 单晶氧化物的晶体学取向对纯Al熔体形核过冷度的影响

3.6 本章小结

参考文献

第四章 Al/Al2O3的界面特性

4.1 引言

4.2 界面宏观形貌

4.3 Al/Al2O3(1120)界面

4.4 Al/Al2O3(0001) 界面

4.5 形核机制与晶格错配度的关系

4.6 本章小结

参考文献

第五章 Al/MgO的界面特性

5.1 引言

5.2 界面形貌

5.3 界面反应层的成因分析

5.4 高温下 MgO基底的表面变化

5.5 本章小结

参考文献

第六章 合金元素对形核相/异质相界面的影响

6.1 引言

6.2 合金元素对MgO基底异质形核的影响

6.3 合金元素对Al2O3基底异质形核的影响

6.4 本章小结

参考文献

第七章 熔体/异质相润湿性与晶格错配度的关系

7.1 引言

7.2 低真空度下的润湿角测量

7.3 纯Al在不同的单晶氧化物上的润湿性

7.4 本章小结

参考文献

第八章 结论

创新点

攻读博士学位期间发表和录用的论文

致谢

答辩决议书