Fe-Ni包晶合金定向凝固过程中的组织演化规律

论文摘要

包晶合金是一类应用非常广泛的工程合金,随着具有重要工程应用前景的高温金属间化合物结构材料Ti-Al、Fe-Al、Ni-Al合金,稀土永磁材料Nd-Fe-B和Co-Sm-Al合金,以及高温氧化物超导材料Y/Nd-Ba-Cu-O等新型包晶系材料的开发,包晶合金的凝固过程近年来受到人们的极大关注。一方面,凝固过程是制备包晶系材料一个很难避免的工艺过程,对材料的最终组织和性能必然产生重要影响;另一方面,近年来在包晶系材料凝固过程中发现了大量新颖的组织。这些组织的出现极大地丰富了现有的包晶凝固理论,同时也反映出人们目前对包晶凝固过程认识的局限性。因此,工程应用和凝固理论的研究都迫切需要人们对包晶凝固过程进行深入的研究。本文选择包晶系模型合金Fe-Ni合金,通过系统的定向凝固实验研究了Fe-Ni包晶合金定向凝固过程中的组织演化规律。发现在Fe-Ni合金定向凝固过程中,包晶反应在很大的凝固速度范围内都是存在的,并且对多种组织的形成具有重要的影响。此外,本文重点考察了包晶合金定向凝固过程中的两相共生生长——等温共生生长和胞状共生生长的演化过程。最后,根据低速段和高速段Fe-Ni合金的定向凝固组织演化,本文讨论了包晶合金定向凝固过程中相和组织选择理论及其适用性。对Fe-4.0Ni、Fe-4.3Ni和Fe-4.5Ni三种合金分别在6K/mm、8K/mm和12K/mm三种温度梯度下进行了系统的低速（V≤20μm/s）定向凝固实验,得到了丰富的组织:离散带状组织、混合带状组织、岛状组织、等温共生生长组织、胞状非等温共生生长组织、振荡树状（层状）组织、枝晶岛状组织及传统的包晶枝晶组织。证明了包晶合金定向凝固过程中是可以形成类似共晶系中的等温（平界面）共生生长。然而与共晶共生生长不同,包晶等温共生生长需要严格的形成条件、很长的初始过渡过程,并且形态稳定性很差,所以包晶共生生长很难生长出规则排列的两相复合组织。而当G/V逐渐降低,包晶合金定向凝固过程中胞状初生相δ与近平界面包晶相γ之间形成的弱耦合胞状非等温共生生长却可以生长出非常规则的两相复合组织,并且这种生长方式具有很好的形态稳定性,很短的初始过渡区,很容易达到稳定状态,从而可能取代等温共生生长成为制备包晶系规则排列原位自生复合材料的新的生长方式。在包晶两相的生长过程中,在liquid/δ/γ三相交接点附近一直存在明显的包晶反应。在包晶反应过程中,初生相δ的部分重溶使liquid/δ界面在三相交接点附近出现局部下凹,从而使三相交接区域严重偏离共晶共生生长过程中正常的三相交接区形态;另一方面包晶反应对局部区域包晶两相的生长动力学具有重要的影响。因此,包晶反应在包晶合金定向凝固过程中的两相组织演化将产生重要影响。本文详细讨论了包晶反应在岛状组织、岛状枝晶组织、竞争振荡组织的形成过程中的重要作用。此外,本文发现包晶反应对三相交接局部区域两相生长动力学的影响是引起包晶等温共生生长和胞状共生生长形态不稳定的主要原因。为更好地理解包晶等温共生生长,在Boettinger-Jackson-Hunt平衡包晶共生生长模型的基础上建立了考虑包晶反应的包晶共生生长模型,发现包晶反应完成完全平衡状态的60%～80%时理论预测与Fe-Ni合金共生生长的实验结果吻合很好。结合实验结果证明了包晶共生生长确实是在过热状态下进行,并且为目前实验中得到的共生生长不满足共生生长形态稳定性假设之间的矛盾提供了一种解释。通过分析Fe-Ni胞状非等温共生生长的形态,分布特征和间距特征,发现胞状共生生长过程中初生相胞的形态可以由流体动力学中的Saffman-Taylor粘性指（viscous finger）方程准确描述,这为定向凝固胞晶与粘性指的相似性提供了新的证据。由于单相合金定向凝固理论发展起来的间距预测模型无法预测包晶胞状共生生长这种多相生长的间距变化规律,本文在单相合金凝固理论的基础上建立一个预测多相合金胞/枝凝固的间距预测模型。理论预测结果与Fe-Ni合金定向凝固中得到的实验结果吻合很好。此外,在单相合金胞/枝凝固理论的基础上建立了一个稳定胞状共生生长的预测模型,得到了稳定胞状共生生长的存在区间。理论预测结果与Fe-Ni合金中的实验结果吻合很好。该模型为利用定向凝固制备包晶系规则排列原位自生复合材料提供了理论和工艺基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题目的和意义
• 1.2 定向凝固基本理论
• 1.2.1 单相合金定向凝固界面形态演化
• 1.2.2 单相合金相和组织选择理论
• 1.2.3 共晶共生生长理论
• 1.2.4 共生生长的形态稳定性
• 1.3 包晶合金定向凝固组织演化规律及其研究进展
• 1.3.1 离散带状组织
• 1.3.2 岛状组织
• 1.3.3 竞争振荡树状组织
• 1.3.4 共生生长组织
• 1.3.5 胞状共生生长组织
• 1.3.6 包晶合金定向凝固中的相和组织选择
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 实验材料与方案
• 2.1 实验材料及其制备
• 2.2 实验设备及其标定
• 2.2.1 双区电阻加热Bridgman定向凝固系统
• 2.2.2 定向凝固系统加热特性及固液界面位置确定
• 2.2.3 定向凝固系统温度梯度的确定
• 2.2.4 感应加热定向凝固系统
• 2.3 定向凝固过程
• 2.4 定向凝固试样的处理与分析
• 2.4.1 金相分析
• 2.4.2 相结构与成分分析
• 第3章 Fe-Ni包晶合金低速段定向凝固组织演化
• 3.1 引言
• 3.2 Fe-Ni低速段定向凝固
• 3.3 Fe-4.0Ni亚包晶合金定向凝固组织
• 3.3.1 感应加热定向凝固
• 3.3.2 双区电阻加热定向凝固
• 3.4 Fe-4.3Ni包晶点成分合金定向凝固组织
• 3.4.1 感应加热定向凝固
• 3.4.2 Fe-4.3Ni合金双区电阻加热定向凝固
• 3.5 Fe-4.5Ni过包晶合金定向凝固组织
• 3.6 Fe-Ni合金低速段定向凝固组织和相选择
• 3.7 本章小结
• 第4章 包晶反应对定向凝固组织演化的影响
• 4.1 引言
• 4.2 包晶合金定向凝固过程中包晶反应的特性
• 4.3 Fe-Ni包晶合金低速段定向凝固中的包晶反应
• 4.4 包晶反应对Fe-Ni合金定向凝固中组织演化的影响
• 4.4.1 包晶反应与岛状枝晶
• 4.4.2 包晶反应对胞状共生生长形态稳定性的影响
• 4.4.3 包晶反应对等温共生生长形态稳定性的影响
• 4.4.4 包晶反应在岛状组织形成过程中的作用
• 4.4.5 包晶反应对竞争振荡树状组织形成的影响
• 4.5 包晶反应动力学及其模型
• 4.6 本章小结
• 第5章 包晶系共生生长分析及其模型化
• 5.1 引言
• 5.2 包晶等温共生生长
• 5.2.1 共生生长理论分析及目前尚未解决的问题
• 5.2.2 Fe-Ni合金定向凝固实验中得到的共生生长
• 5.3 包晶等温共生生长的模型化
• 5.3.1 平衡包晶共生生长模型
• 5.3.2 考虑包晶反应的包晶共生生长模型
• 5.4 包晶胞状非等温共生生长及其模型化
• 5.4.1 胞状非等温共生生长定义及其形成机制
• 5.4.2 胞状共生生长的形态及其分布特征
• 5.4.3 胞状共生生长的模型化
• 5.4.4 稳定胞状共生生长的选择理论
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 参编专著及发表的其他论文
• 致谢
• 个人简历