（材料加工工程专业论文）三元铝合金凝固组织控制.pdf

摘要 摘要 科学研究和牛产实践中常用的金属材料大多数是具有复杂成分的多元多相 合盒 这类材料的凝固组织控制具有重要的实际意义 本文针对a 1 s i m g 合金 通过实验研究了晶粒细化 变质处理 凝固条件 热处理条件和熔体过热处理 对合金凝固组织和性能的影响 从理论上分析了多元合金凝固的异质形核 提 出精确成形和组织控制一体化的概念 并利用自行研制的反重力铸造设备成功 地生产出组织性能合格的大型复杂薄壁铸件一一某型号飞机进气道唇口件 研究了a i 5 t i 晶粒细化和a i 一1 0 s r 变质处理对a 1 7 s i 0 5 5 m g 合金金属型铸 造时组织和性能的影响 实验结果表明 单独细化晶粒的最佳t i 含量为0 0 8 0 1 4 在此加入量下 合金的宏观晶粒尺寸减小 旺 a i 枝晶明显细化 单独变 质处理的最佳s r 含量为o0 0 5 0 0 l o 在此加入量下 台金组织中共晶s i 相完全变质 旺 a l 枝晶也有所细化 此时 合金的力学性能均有所提高 当以 单独细化晶粒的最佳t i 量和单独变质处理的最佳s r 量共同加入时 合金的力学 性能却有所下降 这是由于部分s r 与起结晶核心作用的t i a j 3 形成了新的化合 物 使得有效变质的s r 量减少 合金的变质作用不充分 同时降低了t i a i 的 异质形核作用 适当增大s r 加入量可克服上述不利影响 并获得更好的效果 为了定量地描述多元合金的实际形核过程 引入实验参数 建立了工业多 元合金凝固过程中的经验形核模型 该模型把形核率与最终晶粒密度联系起来 利用该模型能计算工业合金凝固过程中单位体积熔体中有效异质核心表面积 s 和熔体中有效异质桉心润湿角因子 臼 模型的计算结果表明 合金异质形 核的基底是熔体内部的异质颗粒 有效异质形核核心集中于合金熔体内部 利 用所建立的经验形核模型 针对a 1 7 s i 合金和a i 7 s i 0 5 5 m g 合金 汁算了一 定熔炼条件下的形核参数 研究了凝固条件对a 1 7 s i 一0 5 5 m g 合金组织形态和性能的影响 实验结果表 明 随着冷却速率的增加 合金宏观晶粒尺寸和二次技晶间距减小 共晶s i 相 形态也变得细小 且分布更加弥散 d s c 实验结果表明 随着冷却速率的增大 不仅降低了液相线和二元共品的转变温度 而且会使三元或四元共晶反应消失 合金凝固组织中m 9 2 s i 相的析出也受到抑制 合金显微硬度随冷却速率的增大 而提高 研究了热处理条件对a 3 5 7 合金组织年 变和性能的影响 实验结果表明 随 西北r 业大学博 学位论立 着淬火转移时问的减小或淬火玲却速率的增大 a 3 5 7 合金的强度和硬度增加 相对延伸率稍有降低 为了探索在不经细化和变质处理 也不添加b e 元素条件下 通过过热处理 a 1 7 s i 0 5 5 m g 合金熔体 改善合金的微观组织及力学性能的可行性 对合金熔 体进行了过热处理 结果表明 合金熔体过热处理后 s i 相的形貌得到变质 变质效果与过热处理温度及凝固过程的冷却速率相关 当过热到8 0 0 c 8 5 0 c 时 凝固组织形态已接近于加s r 变质的组织形态 当过热温度为8 4 5 时 t 6 态的极限抗拉强度和相对延伸率最大 合金熔体过热处理后 合金组织中富铁 相的形态发生了变化 由棱边尖锐的条状转变为骨骼状 这是化学方法变质处 理不能获得的效果 也是合金液过热处理后力学性能显著提高的原因之一 d t a 实验结果表明 a 1 7 s i 0 5 5 m g 台金熔体过热到其临界温度8 0 9 c 8 4 0 c 时 熔 体结构发生了变化 即熔体结构从低温微观不均匀区向准微观均匀区转变 从 而导致了其组织形态和力学性能的变化 利用自行研制的反重力铸造设备铸造出唇口件 摸索出了一套a 3 5 7 合金熔 炼工艺和唇口件的反重力铸造工艺 树脂砂造型制芯工艺及其热处理工艺 生 产出的唇口件不仅充型完整 晶粒细小 组织致密 而且铸件形状尺寸符合设 计要求 使精确成形与组织控制一体化 即在完成形状尺寸精确成形的同时 使铸件内部性能得到优化 关键词 a 1 s i m g 合金 晶粒细化 变质 形核 冷却速率 热处理 熔体过热处理 反重力铸造 i i a b s t r a c t a b s t r a c t m e t a l l i cm a t e r i a l si ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n sa r em o s t l ym u l t i c o m p o n e n ta n dm u l t i p h a s e a l l o y s i t i so fv i t a l i m p o r t a n c e t oc o n t r o lt h em i c r o s t r u c t u r eo ft h e m u l t i c o m p o n e n ta n d m u l t i p h a s ea l l o y si nt h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s s i nt h i sw o r k w ee x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e dt h e e f f e c t so ft h eg r a i nr e f i n e m e n t m o d i f i c a t i o n s o l i d i f i c a t i o nc o n d i t i o n s h e a tt r e a t m e n tc o n d i t i o n s a n dm e l t s u p e r h e a t t r e a t m e n to i lt h em i c r o s t r u c t u r e sa n d p r o p e r t i e s o fa i s i m g a l l o y s h e t e r o g e n e o u s n u c l e a t i o ni ns o l i d i f i c a t i o n p r o c e s s e s o ft h e m u l t i c o m p o n e n ta l l o y s w a s t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d ac o n c e p to fi n t e r g r a t i o no fm i c r o s t r u c t u r a lc o n t r o la n dp r e c i s ef o r m i n g w a sp r o p o s e dt h ec o m p l e xt h i nw a l lc a s t i n g sw i t hq u a l i f i e dm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e sw e r e s u c c e s s f u l l yp r o d u c e db yu s i n gt h es e l g m a d ec o u n t e r g r a v i t yc a s t i n ge q u i p m e n t e f e c t so fa 1 5 t ir e f i n e ra n da i 1 0 s rm o d i f i e ro nt h em i c r o s t r u c t u r e sa n dt h em e c h a n i c a i p r o p e r t i e so fa s c a s ta i 7 s i 一0 5 5 m ga l l o yw e r ee x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h es o l i d i f i c a t i o nm i c r o s t r u c t u r ew a ss i g n i f i c a n t l yr e f i n e db o t hi nm i c r o a n dm a c r o s c a l ew h e n t h er e f i n e rw a s o p t i m i z e d t o0 0 8 0 1 4 o ft ia d d i t i o nt h eo p t i m a ls r a d d i t i o nw a s o0 0 5 0 0 1 w h e nm o d i f i e dt h r o u g ht h ea d d i t i o no f a i 1 0 s rm o d i f i e r t h ee u t e c t i cs ip h a s e w a sm o d i f i e dc o m p l e t e l ya n dt h en a id e n d r i t ew a sa l s or e f i n e d a n dt h e n t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h ea l l o y sw e r ei n c r e a s e d h o w e v e r t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r er e d u c e dw h e n t h eo p t i m a lc o n t e n t so ft ia n ds ra d d i t i o n sw e r ec o m b i n e di nt h em e l t t h er e a s o nw a st h a ts r m o d i f i c a t i o na n dh e t e r o g e n e o u sn u c l e a t i o no f t i a l 3w e r ew e a k e n e db e c a u s eo f t h ef o r m a t i o no f t h en e wc o m p o u n dc o m p o s e do f p a r ts ra n dt i a i 3 t h en e g a t i v ei n f l u e n c ec a nb eo v e r c o m ea n d t h eb e s tt r e a t m e n tr e s u l tc a r lb eo b t a i n e db yi n c r e a s i n gs ra d d i t i o n t h ee x p e r i e n t i a ln u c l e a t i o nm o d e li ns o l i d i f i c a t i o np r o c e s s e so ft h ei n d u s t r i a l a l l o y sw a s e s t a b l i s h e d b yi n t r o d u c i n g t h e e x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s t h i s m o d e ln o t o n l y d e s c r i b e d n u c l e a t i o nr a t eo f t h e a l l o y sq u a n t i t a t i v e l y b u ta l s ol i n k e dt h en u c l e a t i o nr a t e sw i t ht h ef i n a lg r a i n d e n s i t y t h es u r f a c ea r e ao fe f f e c t i v ec a t a l y s t sp e ru n i tv o l u m em e l t s p a n dt h ec o n t a c ta n g l e o fe f f e c t i v ec a t a l y s t si nt h em e l t 口 i ns o l i d i f i c a t i o np r o c e s s e sw e r ec a l c u l a t e db yu s i n gt h e m o d e lt h em a t r i xo fh e t e r o g e n e o u sn u c l e a t i o ni sp r o p o s e dt ob et h ei m p u r i t i e si nt h em e l ta n d t h ee f f e c t i v e c a t a l y s t s a r ei nt h em e l tt h em o d e lc a nb eu s e dt oe s t i m a t et h en u c l e a t i o n p a r a m e t e r so f a l 一7 s ia l l o ya n da i 一7 s i o 5 5 m ga l l o yi nt h ed e f i n i t em e l t i n gc o n d i t i o n e f f e c t so ft h e c o o l i n g r a t eo nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f i t i d i s s e r t a t i o nf o rp hd n o r t h w e s t e r np o l y t e c h n i c a lu n i v e r s i t y a i 一7 s i 一05 5 m ga l l o yd u r i n gs o l i d i f i c a t i o nw e r ee x p e r i m e n t a l l yi n v e s t l g a t e d t h eg r a i ns i z ea n d s e c o n dd e n d r i t ea r ms p a c i n go ft h ea l l o y sw e r ed e c r e a s e da n de u t e c f i cs i l i c o nw a sr e f i n e da n d d i s p e r s e da st h ec o o l i n gr a t ei n c r e a s e dd s c t e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h el i q u i d u st e m p e r a t u r ea n d t h eb i n a r ye u t e c t i ct e m p e r a t u r ew e r ed e c r e a s e da n dt h et e r n a r y q u a r t e r n a r ye u t e c t i cr e a c t i o n sa n d m 9 2 s ip h a s ew e r ed e p r e s s e da st h ec o o l i n gr a t ei n c r e a s e d t h em i c r o h a r d n e s so f t h ea l l o ya t t h e h i g h e rc o o l i n gr a t ew a sd i s t i n c t l yr a i s e d e f f e c t so ft h eh e a tt r e a t m e n tp a r a m e t e r so nt h ep h a s e sa n dt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f a 3 5 7 a l l o yw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d t h et e n s i l es t r e n g t ha n dt h em i c r o h a r d n e s so ft h ea l l o yw e r e i n c r e a s e da n dt h er e l a t i v ee l o n g a t i o nw a sd e c r e a s e ds l i g h t l yi nt h ec a s eo ff a s t q u e n c h i n ga n d c o o l i n g s u p e r h e a tt r e a t m e n to na i 7 s i 0 5 5 m gm e l tw a ss t u d i e de x p e r i m e n t a l l yt o i m p r o v et h e m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw i t h o u tg r a i nr e f i n e m e n t m o d i f i c a t i o nt r e a t m e n ta n d b ea d d i t i o n a f t e rs u p e r h e a tt r e a t m e n to ft h ea l l o ym e l t e u t e c t i cs ip h a s ew a sm o d i f i e d t h e m o d i f i c a t i o ne f f i c i e n c yw a sf o u n dt ob ed e p e n d e do nt h es u p e r h e a tt e m p e m t u r ea n dt h ec o o l i n g r a t ei ns o l i d i f i c a t i o na s u p e r h e a t t r e a t m e n ta t8 0 0a 2 8 5 0 cm o d i f i e dt h ei n t e r d e n d r i t i ce u t e c t i c a n dt h ee f f i c i e n c yw a sc o m p a r a b l et ot h a ta c h i e v e db ys ra d d i t i o n t h es t r e n g t ha n de l o n g a t i o n a f t e rt 6h e a tt r e a t m e n tw e r eo b v i o u s l yr a i s e da f t e rt h es u p e r h e a ti r e a t m e n ta t8 4 5 c t h r o u g h s u p e r h e a tt r e a t m e n t t h em o r p h o l o g y o ff e r i c h p h a s ew a sc h a n g e df r o mn e e d l e l i k et o s k e l e t o n l i k e t h i se f f e c tw a sn o to b s e r v e di nt h ec a s eo fs ra d d i t i o n a st h i sr e a s o n t h eh i g h e r m e c h a n i c a lp r o p e r t i e st h a nt h o s em o d i f i e db ya d d i t i o nw a so b t a i n e d d t at e s t ss h o w e dt h a tt h e r e e x i s t sac r i t i c a lt e m p e r a t u r ea ta r o u n d8 4 0 co v e rw h i c ha 1 7 s i 一0 5 5 m gm e l tw a sc h a n g e df r o m a m i c r o i n h o m o g e n e o u st o a m i c r o q u a s i h o m o g e n e o u s a f t e rt h a t t h em i c r o s t r u c t u r e sa n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ei m p r o v e d w es t u d i e da l s ot h em e l t i n gp r o c e s s e so fa 3 5 7a l l o ya n dt h ep r o c e s s e so fc o u t e r g r a v i t y c a s t i n g m o u l d i n ga n dh e a tt r e a t m e n to ft h et h i nw a l lc a s t i n g t h eq u a l i f i e dc o m p l e xt h i nw a l l c a s t i n g w i t hr e f i n e d g r a i n s a n d c o m p a c t m i c r o s t r u c t u r ew a sc a s t b yu s i n g t h es e l f m a d e c o u n t e r g r a v i t yc a s t i n ge q u i p m e n t t h ed i m e n s i o n o ft h e c a s t i n g a c c o r d e dw i t hi t s d e s i g n r e q u i r e m e n t sa n d t h ei n t e g r a t i o no fm i c r o s t r u c t u m lc o n t r o la n d p r e c i s ef o r m i n g w a sr e a l i z e d k e y w o r d s a 1 s i m ga l l o y g r a i n r e f i n e m e n t m o d i f i c a t i o n n u c l e a t i o n c o o l i n gr a t e h e a tt r e a t m e n t m e l ts u p e r h e a t t r e a t m e n t c o u n t e r g r a v i t yc a s t i n g 第1 章文献练述 1 1 引言 第1 章文献综述 凝固 即自液态向固态转变的相变过程 是自然界的普遍现象 在材料制 备和液态成形中起着重要的作用 凝固过程的研究已经成为材料科学与工程领 域的重要分支 其主要任务是揭示液固相变过程中相的选择 组织形态的形成 溶质再分配及各种凝固缺陷的形成与控制原理 在过去的数十年中 主要针对 二元合金的凝固理论研究取得很大进展 极大地促进了铸造等与凝固相关的工 业技术的进步 同时 以凝固过程为基础 发展出一系列先进的材料加工技术 如快速凝固 定向凝固 半固态成形等 凝固技术也已成为新材料研制的重要 方法 如金属基复合材料 金属玻璃 纳米材料等的诞生和发展无不得益于凝 固技术的进步 认识和解释凝固过程各种现象和规律的探索已经持续了数千年 自二十世 纪五十年代以来 在现代科学基础上的研究进展很快 已形成 个理论体系 即凝固理论 2 l 然而 认识自然的目的在于改造自然 实现对凝固过程的有效 控制是人们长期追求的目标 受控凝固过程则已成为材料制各与成形加工的重 要手段 其研究工作是和凝固原理的研究同步进行的 由于材料的微观组织是 决定材料的力学和物理性能的主要因素 因此凝固过程控制对于工程结构材料 和功能材料生产过程显得尤为重要 虽然简单二元合金的现代凝固理论研究已经取得很大发展 但人们对工业 e 最有发展空间的多元多相合金凝固过程的认识则非常有限 科学研究和生产 实践中应用的金属材料 大多数为三种组元或多种组元组成的合金 当前 复 杂成分材料 多相材料 包括自生复合材料 是先进材料发展方向之一 解决 这类材料凝固过程组织控制问题对大量实际工程材料性能控制的提高至关重 要 1 2 多元合金的凝固原理 复杂成分多元多相合金凝固研究的内容主要包括在热力学及动力学的基础 上探讨各相的析出次序和研究多相的耦合生长原理 在此基础上发展合金强化 鲋t t 业入学工学博卜沦殳 新方法 研制多相复合材料并利用相界面效应发展具有特殊物理性能的新材料 合金的化学成分是决定凝固组织 成分分布及相结构形成倾向的首要因素 不同成分的合金有不同的凝固特性 人们通过长期的实验和理论研究 获得大 量的相图 依据相图可以对不同成分合会的凝固特性进行预测 在合金成分确 定之后 凝固组织是由凝固过程的传热 传质及液体流动决定的 1 2 1 利用相图研究多元合金系的凝固 多元合金凝固过程要比二元合金复杂得多 并且除部分三元系有相圈可以 借鉴外 其它多元合金系均无成熟的相图 正是从三元相图出发 人们针对所 感兴趣的相析出规律和溶质再分配作了些分析 典型三元相图的液相面形状决定了合金的凝固次序口 三元相图的三个边 是由二元相图构成的 成分位于液相面特殊点 多相反应点 上的台金在平衡 凝固过程中将会发生两个以上的相同时析出的情况 并且凝固在恒定的温度下 进行 而成分位于 线 上的合金也将发生多相凝固 其凝固方式与二元合金 多相凝固的情况相似 但析出固相和剩余液相的成分是变化的 其中剩余液相 的成分将沿所在线自高温向低温方向进行 除了这些特殊的点和线外 其他成 分的合盒在凝固初期将首先发生单相凝固 直至液相成分达n 些特殊的点或 线为止 对于给定的合金 平衡凝固过程液相和固相成分变化的路径是确定的 可从三元相图的纵切面i 二获得伪二元相图 常用的伪二元相图是通过三元 相图的一角或平行于一边的 由伪二元相图不能确定析出相的成分 但可得出 不同温度下析出相的种类和相析出的次序 利用相图 可以了解材料的成分 相组成与温度的变化关系 预测材料的 组织与性能 进而正确制订各种热加工 铸 锻 焊 烧结及热处理工艺 并进行新材料的设训 a n n el i s ed o n s 等 4 1 用模型预测了a 1 c u f e m g m n s i 相图富a l 角的凝固 路径 该模型考虑了伴随着固态扩散和晶粒生长过冷度补偿 他们也在实验室 中以冷却速率为1 k s 铸造了五种a 1 f e s i 合金和六种a i m g f e s i 合金 利用 相图数学描述的计算机程序计算微粒的类型及含量 对于a 1 f e s i 合金 得到 满意的计算结果 而对于含m g 的a i m g f e s i 合会 对相图作适当的修改后也 可使用nb e l o v 等 6 评价了五元合金平衡相图 提出了将其画在浓度三角形上 的方法 对这种方法的优点与局限性进行了讨论 并分析了a 1 s i f e c u m g 相 图 凝固反应 固相中的相分布和多个热截面 考虑冷却时平衡相的组成变化 第1 章正献综述 与各柏分数变化 对a l s i f e c u m g 合金的时效能力进行了讨论 1 2 2 多元合金系热力学研究 对于多兀合金 米用相图进行相封r 出规律和溶质再分配的讨论并不方便 然而 各种相图都是在平衡热力学的基础上建立的 可以从热力学的基本原理 出发对相析出及浴质再分配规律做出判断 在凝固过程中可能析出的各个相 的自由能g 是温度t 和溶质质量分数w 的函数川 即 q 丁 w m w m w 1 1 当温度降低时 自由能最先低于液相自由能的固相首先析出 并同时引起 液相成分变化 可能导致其它相的自由能低于液相而发生凝固 任何一相 只 要当其自由能低于液相都会发生凝固 因此 可能出现几个固相同时达到凝固 条件而发生多相凝固 在多元合金凝固过程的研究中 仅当发生单相析出时讨论溶质分配因数才 是有意义的 此时 某一组元f 在液相l 和固相s 中的化学位般可表示为 1 7 烈m m z 一 m 引入平衡条件 a 8 即可求得组元f 在 相和液相之间的分配因数 然而 k 可能不仅与该组元本身的质量分数有关 而且还是其它溶质质量分数k 的 函数 l 4 i 即 k 口 b 式中6 比例因数 可在实验的基础上通过数学回归方法确定 1 4 利用界面局部平衡假设建立的凝固模型已经成功地推广到通过c a l p h a d 方 法获得的相图信息中 褂 包括s c h e i l 凝围路径的分析 枝晶尖端动力学 固相 扩散和宏观偏析 关于a 1 f e n i t i 基合余的商业数据库已可获得 t h e r m o 西北工业天学工学博l 沧交 t e c h 公司 其它合金的数据库以不同的热力学计算程序也可获得 如 t h e r m o c a l c m t d a t a c h e m s a g e 所有这些计算程序都能与凝固模型相连接 例如 一套子程序 l e v e r s l o p e h e a t 已建立在热力学计算程序l u k a s 程序的 修改版中 9 1 l e v e r 可以计算特定温度和组分下平衡时的相分数和相组成 s l o p e 可计算液相线温度 固相浓度 一个特定的液相组成和液相线斜率 h e a t 可计算一个特定温度和榍组成的相的单位质量热焓值 热力学方法本质上能够对凝固路径进行s c h e i l 分析 即 在假设液相完全 扩散和无固相扩散的条件下 确定冷却过程中液相和固相浓度的变化和相分数 变化 这种方法容易处理共晶反应中新相的出现 以及包晶反应中相的消失和 出现 s c h e i l 分析方法为准确地估算铸造过程的实际情况提供了基础 包括冷却 过程中溶解热的变化 宏观热流 糊状区密度的变化以及宏观偏析 缩孔 热 裂分析的液相流动模型等 在快速凝固条件下 当局域界面平衡假设无效时 多元合金系的热力学计 算能用来计算热力学 驱动力 和由于溶质阻力的能量耗散 若建立了通过界 面的扩散模型 但需要对快速凝固的界面特征函数分析 在假设所有溶质的扩 散速率都相同的条件下 溶质截留的a z i z k a p l a n 模型已经扩展到多元系1 1 0 1 但 还保留着一个公开的问题 关于快速凝固多元系中 溶质截留模型的不同溶质 问的不同扩散速率的相互作用 8 l 这一问题的实验研究将是相当有意义的工作 多元合金的热力学数据库和计算已达到一定水平 使得建立多元合金模型 时更加方便 除此之外 快速计算法得到凝固模型中的相图信息己应用到实际 多元合会的凝固分析中 目前 还需不断地完善c a p h a d 计算方法 以便大大 地改进和丰富热力学数据库 1 2 3 多元合金系中的扩散 近几年来 多元合金中扩散的研究和应用日益受到人们的重视 这是由于 大量多元合金的应用引起的 在这些合金中 组元问的扩散极大地影响着它们 的凝固行为和使用寿命 特别在多元系中 一种组元的通量不仅依赖于它本身 的浓度梯度 而且也依赖于合金中所有其他组元的浓度梯度 扩散通量与所有 组元浓度梯度的依赖关系由扩散系数矩阵表示 每个矩阵元素的大小表示了组 元问的相互作用大小 相互作用越强 多组元的影响可能越明显 在多组元扩 散中 不同组元的扩散量通过扩散系数矩阵和所有组元的浓度梯度相联系 由于多元合金的凝固特性极其复杂 所以研究多元合会时要厂 泛地使用液 帮i 章1 史献综述 相和固相中的扩散分析 多元系的枝晶 e 长理论和固相扩散分析现在已有了一 定的进展 8 o 但是还有一些例外 扩散矩阵中非对角线扩散系数和浓度相关性 不可忽略 需要评估它们的重要性 如非常数的扩散系数如何影响平面生长模 型和枝品生长模型 所以 还需不断的发展多元液相和多元固相的热力学数据 库 特别要考虑浓度相关性和非对角线扩散 在枝晶尖端生长模型和相应的凝 固路径分析汁算中 还存在一些困难 即液相中各组元不同的扩散系数的确定 另外 凝固过程多相共晶和多相包晶组织中固相扩散的更准确的模型也需要研 究 在以前凝固过程的研究中 多元合金液相的扩散矩阵中的非对角线扩散常 常被忽略 这是不太合理的 当由化学势梯度决定的扩散通量一定时 非对角 线上扩散项具有很大的浓度相关性 有人已经用实验测定了液相三元铝合金中 非对角线上的扩散项 引 若一个组元存在较大变化的扩散偶时 则对另一个组 元的浓度值要加以分析 若第二组元的浓度无明显变化 即可忽略非对角线上 的扩敞项 c h e n 等 已推导出计算三元合金中两相区中有效扩散系数方程 计算了在 a i c r n i 系的y 区中温度为1 2 0 0 的有效扩散系数 有人对以前的许多工作 进行了综合分析以后 详细地给啦了多元合金中单相区多元扩散的 般形式 不仅将这种形式加以扩展以适合于计算机执行 而且给出了多元扩散系数矩阵 的表达式 讨论了简化的扩散系数矩阵模型中动力学因数的浓度相关性 3 l 通过考虑扩散矩阵中的非对角线扩散项 可将二元合金系的平界面凝固和 枝晶生长模型扩展到多元合金系 i 通过使用扩散矩阵的特征值和特征向量 而不是扩散系数 利用多个二元溶液系的线性组合 确定多元溶质的扩散场 然而 这种利用多个二元溶液确定多元溶质扩散场的方法 因缺少测定扩散系 数和非对角线扩散项的实验方法而使其受到限制 1 2 4 界面形态稳定性的问题 在假设三元合金凝固界面局部平衡且不考虑非对角线扩散项的条件下 有 人已对一 种完全平界面生长行为进行了线性稳定性分析 当假定扰动波长大 于所有溶质的液相扩散长度时 扰动生长速率f 不仅与分配因数k 和液相斜率 脚 有关 而目 也与e i 热力学计算出的液相面t 的液相浓度对固相浓度的微分有 关 当扰动波长小时 这些因素的影响可忽略 也正是由于这个原因导致界面 形态振荡的不稳定性 对于别的稳定性问题 象胞状晶向枝状晶的转变 即使对于二元合金 理 论问题尚未完全解决 更不用说多元合金 在三元系中 胞状共晶的形成特别 引人注目 p l a p p 等降i p 对稳态层状界面的稳定性进行了系统的分析 此时 扰 动的波长与层状阃距相比较大 在处理大范围扰动时 也初步用相场法计算了 胞状共晶的生长 h u n z i k e r 1 5 1 考虑了多元合金系中组元间的耦合扩散作用 提出了平界面和 枝晶生长中的溶质扩散场的解析解 每种溶质的成分分布场以几个表达式给出 每一个表达式对应于二元溶液中的表达式 但是扩散系数被扩散矩阵的特征值 所代替 基于此 推导出一种扩展了的从平界面生长向胞状界面转变的溶质组 分过冷度判据 也提出了平界面生长的线性稳定性分析 同时 计算了枝晶生 长尖端的扩散场 建立了枝晶生长模型 更基本的和更有趣的研究是探讨三元系中两相共晶生长的非稳定性的详细 情况及由两个固相组成的共晶团和枝晶结构 这个领域中的两个问题是 共晶 团大小是由何决定的 非线性效应是否会引起复杂的时空行为1 8 l 文献 1 6 在二 元合金凝固界面演化模拟的基础上 对多元合金凝固界面形态演化过程进行了 初步探索 1 2 5 多元合金系微观组织的预测 实际铸造工艺过程的凝固模型的应用取决于我们研究和模拟多元合金凝固 过程微观组织的能力 以凝固理论模型为基础进行多元合金系的凝固组织控制 比经验的方法更有效并能节省财力 人力和时间 通过近十几年来的研究 这 个领域已经取得了很大的进展 日本学者在三元共晶合金凝固组织形态研究方面做了有益的尝试 为了研 究三元共晶系的相选择 假设了共晶几何形状分别是规则层状结构 棒状六角 结构和半规则砖形结构 推导出了三相二维共晶生长模型的解析表达式 在这 些生长模型中 通过引入材料的物理特性参数 发现三元共晶凝固界面前沿的 过冷度正比于界面生长速率的平方根 而共晶间距反比于生长速率的平方根 模型预测出的共晶结构形状与共晶问距同s n p b c d 三元合金和a 1 c u a g 三元 合金中的实验结果一致 1 7 关于各向异性对技晶尖端半径选择的基本作用 尽管还存在许多争论 但 对于实际材料的凝固模型都典型地使用i m s i v a n t s o v m a r g i n a l s t a b i l i t y z j 弟i 晕义献综述 法 1 8 1 r a p p a z 等 考虑了各向异性对枝品尖端浓度的影响 已将二元合金的凝 固模型扩展到多元合金 也把等轴晶生长模型和二次枝品间距的标准凝固模型 也推广到多元合金 2 0 2 1 1 伴有s c h e i l 分析的技晶尖端模型的f l o o d h u n t 方法也 被修正以适用于多元合金拉2 j 在处理多元合金的固相扩散时 种近似处理方法已经扩展到多元合金及 其相图计算中1 2 其中完整扩散方程的解使用了t h e r m o c a l c 和扩散分析程序 d i c t r a 来求解 其它固相扩散模型的方法也有人研究 2 h u n t 等 2 6 1 通过对特定合金的枝晶与共晶的竞争生长的计 算 发现会形成一 个凝固速率和温度梯度的特定生长区 该生长区对凝固过程中三元合金的微观 组织有一定的影响 同样地 己扩展到多元多相合金中凝固模拟的p h a s e 程序 通过对竞争生长与固相扩散的数学分析 在稳态定向生长过程中 能计算优先 生长组织和相应的宏观偏析 同时 也能由此获得有关相图的信息 微观组织选择的分析已扩展到十元高温合金 2 这种能够精确控制微观组 织的外延激光金属成形方法 e p i t a x i a ll a s e rm e t a lf o r m i n g 已应用于单晶高温 合金涡轮机部件的表面处理 考虑到要避免杂晶的形成 这一方法使用了h u n t 柱状一等轴转变模型1 2 也使用了用溶质截留修正的i m s 枝晶尖端动力学的计 算模型和t h e r m o c a l c 的相图信息1 2 9 o i 同时 使用子程序计算了宏观偏析 对多元合余中的其它凝固问题也作了分析 例如 在f e c r n i 合金相图中 随 着对初生相本质的理解 在三元液相面的单变量共晶线附近 有人已对形核和 生长竞争的相对重要性作了研究瞄j 在f e c s i 球墨铸铁的微观组织中 对共晶 区中奥氏体的枝晶形成机制也有人研究 3 二元系中晶粒粗化的l s w l i f s c h i t z s l y o z o v w a g n e r 理论 3 2 33 成功地 预测了平均晶粒半径随局部凝固时间的增大而增加 该时间与粗化速率常数有 关 而粗化速率常数依赖于溶质扩散系数 毛细长度和基体平衡浓度 同时 l s w 理论也预测了溶质过饱和度随f 喘衰减 对于三元合金粗化 最初的研究 只是假设了对角线扩散系数矩阵 单个析出相的多元系粗化的最一般处理在文 献 3 2 中作过描述 不仅推导了粗化速率常数 而且也证明了熔体内的热力学不 会影响多元系的粗化行为 最近的研究扩展了文献 3 2 的工作 推导出多元两楣 材料中每个过饱和溶质的衰减速率 多个析出相体系的粗化动力学也有人作过 研究 并分析了每个析出相的品粒尺i 于分布口3 1 x i e 和k r a f t 等l o 对两种定向凝固a l 合金 a i 3 9 c u 一0 9 m g a 1 15 c u 一1 m g 在冷却速率为o 7 8k s o 0 3 9k s 下的组织与微观偏析分别进行了观察 结果 表明径向和轴向抛面看到的都为枝品组织 计算宏观偏析的模型足基于s c h e i l 两托t 业j 学工学博l 论史 方程的模型 但考虑了固相扩散 枝晶臂粗化 枝晶尖端过冷度及共晶形成的 影响 在初生口相中的浓度分布和桐析出量的确定上 模型计算结果与实验结 果一致 所以 在预测微观偏析时相图的准确性对计算结果的影响很火 r a p p a z 等叫 j 曾经提出过二元合金等轴晶形貌的凝固模型 若不同溶质组 元在液相中的扩散系数相等 这个模型可直接扩展到多元合金 若不同溶质组 元在液相中的扩散系数不相等 就必须区别备组元在枝晶尖端的浓度 r a p p a z 等 2 1 随后又建立了多元合金的枝晶生长动力学模型 计算了晶粒区外的扩散 比较了模型计算出的再辉后凝固路径与不同条件下的s c h e i l 模型近似计算的结 果 另外 也简单描述了预测多元合金二次枝晶间距的模型 近年来 随着计算相图技术的发展 人们对多元合金凝固特性和相析出规 律的认识大大提高 因此将计算相图与凝固微观组织预测模型相结合 借助当 前飞速发展的计算机技术 建立一些综合全面的计算模型 对于提高模型预测 的准确性及应用的广泛性具有非常重要的应用价值 1 3 多元合金的强化原理与方法 合理利用金属材料 充分挖掘材料潜力 必须运用各种强化手段提高材料 的承载能力 使同样截面尺寸的结构能承受较大的载荷 或使承受同样载荷的 结构更加紧凑 轻巧 各种工程结构和机械零件都是在承受一定外力形式下服 役的 材料的力学性能表现为抵抗外力的能力 强度是重要的力学性能之一 由于材料的强度容易测定 便于计算 常常作为零件设计的主要依据 强度反映了材料抵抗塑性变形的抗力 而塑性变形又是位错运动的结果 凡是阻碍位错运动的各种障碍 都能达到强化材料的目的 强化金属材料的基 本方向是 降低位错密度 制成几乎不含位错的完整晶体 增加位错密度 造 成尽可能多的位错运动障碍口 固溶体中外束原予引起的晶格畸变 冷塑性变 形 晶界 第二相沉淀等都能起到位错障碍作用 结合多元合金的凝固