快速凝固Cu-Fe系合金液态相分离的相场法模拟

摘要

Cu-Fe合金不仅导电、导热性能良好，而且强度高，因此被广泛用于航空、汽车、通讯和电子制造等领域。此类合金拥有一个显著的特点便是在快速冷却的条件下会发生液态相分离。本文依据连续相场理论，分别建立二元和三元体系的相场模型，用于Cu-Fe系合金液态相分离现象的模拟研究。分析了合金成分、相分离温度以及梯度能量对合金相分离过程的影响，同时研究了添加不同合金元素的Cu-Fe系三元合金的液态相分离特性，比较了不同合金元素的作用，阐明了影响机理。最后，利用激光快速熔凝法制备Cu-Fe系合金的相分离凝固组织，并与模拟结果进行对比。
　　对Cu-Fe二元合金模拟的结果表明：合金发生相分离后，生成了Cu相和富Fe相；当CFe=CCu=0.5时，组织表现为相互联通的斑纹状，当CFe≠CCu时，组织表现为球形的颗粒分布在基体上；随着温度的降低，合金发生相分离的趋势增强，相分离的速率增加，但是微观组织特征没有明显变化；随着梯度能量系数的增大，界面厚度增加，组织发生粗化，同时相分离过程减慢。
　　对Cu-Fe-Cr三元合金模拟的结果表明：合金发生相分离后，生成了富(Fe，Cr)相和富Cu相，且Cr元素的加入促进了相分离过程的进行。将Cu-Fe-Cr和Cu-Fe-Ni体系的模拟结果进行比较可以得到：体系中Cr和Ni的分布规律不同，Cr绝大部分分布在富(Fe，Cr)相中，Ni在富(Fe，Ni)相和富Cu相中均有一定的分布。同时富(Fe，Cr)相颗粒呈球形，而富(Fe，Ni)相颗粒呈无规则形状。产生差异的原因是Cr的加入使得Cu-Fe合金的亚稳液相线的临界温度升高，颗粒有更长的时间进行长大和粗化，同时Cu-Fe-Cr体系中颗粒与基体之间的界面能也较大。通过对比实验结果与模拟组织发现，二者体现出很高的相似度，证明了数值模拟的正确性。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 快速凝固条件下的液态相分离

1.3 材料相变与微观结构的模拟方法

1.4 Cu-Fe系合金液态相分离的研究现状

1.5 本文研究内容

2 相场模型

2.1 相场模型的热力学基础

2.2 相场模型的动力学基础

2.3 相场控制方程的推导

2.4 相关参数

2.5 本章小结

3 二元合金液态相分离的相场法模拟

3.1 成分对二元合金相分离的影响

3.2 温度对相分离过程的影响

3.3 梯度能量系数对相分离过程的影响

3.4 二元合金相分离模拟的实验验证

3.5 本章小结

4 三元合金液态相分离的相场模拟

4.1 引言

4.2 Cu-Fe-Cr三元合金的液态相分离

4.3 添加合金的种类对Cu-Fe合金相分离的影响

4.4 三元合金相分离模拟的实验验证

4.5 本章小结

5 结论

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文