偏晶合金凝固过程及微合金化的影响

摘要

偏晶合金十分广泛，其主要特点是，单一均匀的偏晶合金熔体在冷却过程中将发生液-液相变，生成两个互不混溶的液相。如凝固形成少量相以微小粒子形式弥散分布于基体中的复合材料，则许多偏晶合金具有优异性能，在工业上拥有广阔的应用前景。然而，偏晶合金液-液相变过程十分复杂，影响因素繁多，在常规的凝固条件下，极易形成相偏析严重乃至两相分层的凝固组织。这限制了该类合金的工业开发与应用。开展偏晶合金凝固过程及其组织控制研究对推动偏晶合金材料工业应用具有重要意义。
　　微合金化对金属和合金凝固过程与组织具有重要影响，但迄今为止，有关微合金化条件下偏晶合金凝固行为的研究鲜有报道，本论文采用实验与模拟计算相结合的研究方法，研究微合金化条件下偏晶合金凝固行为，探索微合金化对偏晶合金凝固组织的影响及用微合金化法控制偏晶合金凝固过程及组织的可行性。主要研究工作及成果如下:
　　实验研究了微量元素对偏晶合金凝固组织的影响，考察了微量元素Bi对Al-Pb合金、微量元素Sn对Al-Pb(Bi)合金凝固组织的影响。发现微量元素Bi、Sn可以显著细化Al-Pb(Bi)偏晶合金凝固组织;随着微量元素添加量的增加，弥散相液滴的平均尺寸呈现先减小后保持不变的规律;弥散相体积分数越大，微量表面活性元素对偏晶合金中弥散相粒子的细化效果就越好，表明微量元素Bi可以作为Al-Pb合金的表面活性元素，微量元素Sn可以作为Al-Pb(Bi)合金的表面活性元素。
　　建立了微量表面活性元素作用下偏晶合金连续凝固组织演变过程模型，并结合实验开展了模拟研究，揭示了微量表面活性元素对偏晶合金连续凝固组织的影响机理。结果表明，表面活性元素富集于基体液相与弥散相液滴界面处，降低偏晶合金液-液相变过程中两液相间的界面能，从而提高弥散相液滴的形核率，降低弥散相液滴的Marangoni速率，促进偏晶合金形成弥散型凝固组织。
　　提出了在氟盐反应法中采用纳米碳管(CNT)作为碳源制备Al-Ti-C中间合金的新思路，制备出了TiC颗粒弥散度高的Al-Ti-C中间合金，分析了CNT作为碳源时Al-Ti-C中间合金凝固组织的形成过程，结果表明，Al-Ti-C中间合金制备过程中，TiC颗粒是通过固态C与溶质Ti反应生成，而不是通过溶质C与溶质Ti反应生成;CNT尺寸小，比表面积大，能够增加铝熔体与CNT间的接触面积，同时，CNT结构中存在大量的缺陷和空位，使CNT具有较高的化学活性，这些均有利于促进CNT与溶质Ti之间的反应，促进TiC颗粒高度弥散分布于基体中的Al-Ti-C中间合金的形成。
　　以Al-Pb(Bi)偏晶合金为对象，实验研究了微量化合物TiC对偏晶合金凝固组织的影响。发现微量化合物TiC可以显著细化Al-Pb(Bi)偏晶合金凝固组织;随着TiC颗粒添加量的逐渐增加，弥散相液滴的平均尺寸呈现先保持不变、增大、减小再保持不变的趋势;弥散相体积分数越大，微量化合物TiC对弥散相粒子的细化效果就越好，表明TiC颗粒可以作为Al-Pb(Bi)偏晶合金液-液相变过程中弥散相液滴的有效异质形核质点，能大幅度提高弥散相液滴形核率，促进弥散型偏晶合金凝固组织的形成。
　　建立了TiC颗粒在偏晶合金熔体中的动力学行为模型及微量化合物TiC作用下偏晶合金凝固组织演变过程模型，模拟计算与实验研究相结合，分析了TiC颗粒在合金熔体中的动力学行为及其对偏晶合金凝固组织的影响，阐明了微量化合物TiC对偏晶合金凝固组织形成过程的影响机理。结果表明，TiC颗粒自加入偏晶合金熔体后会发生溶解、粗化及冷却时沉淀析出过程，这一过程对偏晶合金凝固组织影响重大，TiC颗粒对弥散相液滴的细化效果主要取决于液-液相变开始温度时熔体中存在的TiC颗粒的数量密度。当TiC颗粒添加量较小，冷却至液-液相变开始温度时熔体中存在的TiC颗粒的数量密度不足时，微量化合物的添加会粗化弥散相液滴;只有当TiC颗粒添加量较大，冷却至液-液相变开始温度时熔体中存在的TiC颗粒的数量密度足量时，微量化合物的添加才会细化弥散相液滴，促使弥散型偏晶合金凝固组织的形成。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 偏晶合金的研究现状

1．2．1 偏晶合金两相分离动力学

1．2．2 偏晶合金实验研究

1．2．3 偏晶合金凝固过程计算机模拟

1．3 偏晶合金的制备方法

1．3．1 机械合金化法

1．3．2 半固态流变压铸成形法

1．3．3 自蔓延高温合成法

1．3．4 光学诱导法

1．3．5 超声波技术

1．4 本研究的意义及主要内容

1．4．1 课题研究的意义

1．4．2 研究的主要内容

2．1 实验材料

2．2．1 研究方案

2．2．2 技术路线

2．3 实验设备

2．3．1 连续凝固装置

2．3．2 温度测量装置

2．4 实验过程

2．4．2 Al-Pb(Bi)合金样品制备

2．4．3 温度曲线的测量

2．4．4 分析测试

第3章 微量表面活性元素对偏晶合金凝固过程及显微组织的影响

3．1 引言

3．2 实验方法

3．2．1 连续凝固实验

3．2．2 浇铸凝固实验

3．2．3 样品处理

3．3．1 Sn添加量对Al-Pb合金凝固组织的影响

3．3．2 微量元素Sn对不同成分Al-Pb合金凝固组织的影响

3．3．3 Bi添加量对Al-Pb合金凝固组织的影响

3．3．4 微量元素Bi对不同成分Al-Pb合金凝固组织的影响

3．4 微量元素作用下Al-Bi偏晶合金凝固过程实验结果

3．4．1 Sn添加量对Al-Bi合金凝固组织的影响

3．4．2 微量元素Sn对不同成分Al-Bi合金凝固组织的影响

3．5 微量元素对偏晶合金连续凝固过程影响机理分析

3．6 微量表面活性元素作用下偏晶合金连续凝固过程理论模型

3．6．1 形核模型

3．6．2 长大模型

3．6．3 液滴的运动

3．6．4 液滴的半径分布函数

3．6．5 温度场控制方程

3．6．6 浓度场控制方程

3．6．7 流场控制方程

3．6．8 初始条件和边界条件

3．7 微量表面活性元素作用下偏晶合金凝固过程分析及模拟研究

3．7．1 计算方法

3．7．2 Al-Pb体系自由能与合金相图

3．7．3 模型中使用的其他参数的确定

3．7．4 液-液相变组织演变过程模拟分析

3．8 本章小结

第4章 Al-Ti-C中间合金的制备过程及显微组织分析

4．1 引言

4．2 实验方法

4．2．1 样品制备

4．2．2 样品处理

4．3 实验结果

4．4 分析讨论

4．4．1 中间合金制备过程中动力学与热力学分析

4．4．2 中间合金制备过程中组织演变过程分析

4．5 本章小结

第5章 微量化合物对偏晶合金凝固过程及显微组织的影响

5．1 引言

5．2 实验方法

5．2．1 样品制备

5．2．2 样品处理

5．3 微量化合物作用下偏晶合金凝固过程实验结果

5．3．1 TiC添加量对Al-5．0 ％Pb合金凝固组织的影响

5．3．2 TiC对不同成分Al-Pb合金凝固组织的影响

5．3．3 TiC添加量对Al-9．0 ％Bi合金凝固组织的影响

5．3．4 TiC对不同成分Al-Bi合金凝固组织的影响

5．4 微量化合物作用下偏晶合金凝固过程理论模型

5．5 微量化合物作用下偏晶合金凝固过程分析及模拟研究

5．5．1 计算方法

5．5．3 Al-Bi-Ti-C体系自由能

5．5．4 模型中使用的其他参数确定

5．5．5 液-液相变组织演变过程模拟分析

5．6 本章小结

第6章 总结论

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

作者简介