非平衡凝固合金的相形成及动力学分析

论文摘要

非平衡凝固合金由于其特殊的微观结构导致其具有许多优异的性能。随着航天航空及运输工具轻型化的迅速发展,具有较高比强度的Al基快速凝固合金尤其是Al基非晶合金表现出广阔的应用前景。晶化动力学模型在分析非晶相的形成过程及热稳定性方面具有重要的价值,因此一直受到研究者的关注,如何提高模型在实际分析过程中的精确度从而得出正确的分析结果是非晶晶化模型追求的主要目标。论文系统研究了非平衡凝固条件下冷却速度和合金成分对Al-Fe-Si合金凝固组织的影响规律;通过制备Al-Fe-Si-（Zr）非晶合金,研究了该合金中纳米晶/非晶复合结构的形成及其动力学机理;为进一步精确描述动力学过程,对等时动力学模型进行了改进,发展了多峰转变模型和孕育动力学模型。研究结果表明:非平衡凝固过程中,冷却速度和合金成分对合金的凝固组织具有显著地影响。其中,亚快速凝固条件下,冷却速度决定了Al-Fe-Si合金中凝固组织的相选择,并对其凝固组织中金属间化合物的形貌、尺寸、分布及体积分数有显著影响;快速凝固条件下,Al-Fe-Si-（Zr）合金的冷却速度越高,越有利于非晶相的形成。此外,快速凝固Al-Fe-Si-（Zr）合金中,Fe和Zr元素的含量对非晶相的形成也有明显的促进作用,两者促进非晶相的形成原因却有所不同。快速凝固条件下,对Al-Fe-Si-Zr合金的微观组织观察可知,此时的合金为10 nm左右的纳米Al颗粒随机分布在非晶基体中的纳米晶/非晶复合结构中。等时晶化过程动力学分析结果表明其晶化过程分两步进行,且两步晶化过程进行的难易程度大致相当。对传统的等时晶化动力学模型进行改进,同时建立了适用于晶化过程中普遍存在的多相转变的多峰转变模型,并以此对具体合金体系的晶化过程进行了研究。结果表明,特别是在具有较小转变温度范围的非晶合金体系中,改进的等时晶化模型和多峰转变模型均具有较高的精确度。此外,还建立了较为完善的晶化孕育动力学模型,并用于具体非晶合金的孕育动力学,分析结果和实验数据保持了较高的一致性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 非平衡凝固技术的研究进展
• 1.2.1 快速凝固技术
• 1.2.2 快速凝固合金的研究进展
• 1.2.3 新型快速凝固合金体系
• 1.2.4 亚快速凝固过程的研究进展
• 1.3 非平衡凝固Al 基合金系的研究进展
• 1.3.1 铝基非晶合金的研究进展
• 1.3.2 铝基纳米晶/非晶复合材料的研究
• 1.3.3 铝基非晶合金的晶化过程研究和热稳定性分析
• 1.4 传统的非晶合金的等时晶化动力学模型的弊端
• 1.5 本文的研究目的和主要研究内容
• 第二章 亚快速凝固条件下Al-Fe-Si 合金的凝固组织研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验过程和方法
• 2.2.1 合金体系的选择
• 2.2.2 实验装置和工艺
• 2.2.3 不同冷速下试样的制备
• 2.2.4 分析测试方法
• 2.3 实验结果分析
• 2.3.1 Al-Fe-Si 合金中的金属间化合物的析出
• 91Fe₇Si₂ 合金的组织形成规律'>2.3.2 亚快速凝固条件下Al₉₁Fe₇Si₂合金的组织形成规律
• 2.4 小结
• 第三章 单辊旋淬Al 基合金中非晶相的形成
• 3.1 前言
• 3.2 影响合金中非晶形成能力的因素
• 3.3 实验过程
• 3.3.1 实验设备和样品的制备
• 3.3.2 实验分析手段
• 3.4 实验结果分析
• 3.4.1 非晶相的确定及合金成分的变化对非晶相形成的影响
• 3.4.2 冷却速度对非晶相的形成和热稳定性的的影响
• 3.4.3 快速凝固过程铝合金的显微组织观察
• 3.5 小结
• 第四章 Al 基非晶合金的晶化过程研究
• 4.1 前言
• 4.2 两种不同非晶合金的形成过程
• 4.3 铝合金DSC 等时晶化动力学分析
• 4.3.1 合金元素Fe 和Si 的种类及含量的影响
• 4.3.2 晶化产物的定性分析
• 4.3.3 样品的晶化动力学分析
• 4.4 小结
• 第五章 纳米相/非晶铝基合金的制备及晶化过程分析
• 5.1 引言
• 5.2 纳米晶/非晶复合结构铝合金的形成机理
• 5.3 样品的制备和表征
• 5.3.1 样品制备
• 5.3.2 实验分析手段
• 89Fe₈Si₂Zr 条带中纳米晶/非晶复合结构的形成'>5.4 快速凝固Al₈₉Fe₈Si₂Zr 条带中纳米晶/非晶复合结构的形成
• 5.4.1 显微组织分析
• 5.4.2 显微硬度测试
• 89Fe₈Si₂Zr 条带的晶化过程分析'>5.5 快速凝固Al₈₉Fe₈Si₂Zr 条带的晶化过程分析
• 5.5.1 相结构鉴定
• 91Fe₇Si₂Zr 条带的晶化动力学分析'>5.5.2 Al₉₁Fe₇Si₂Zr 条带的晶化动力学分析
• 5.6 小结
• 第六章 等时晶化动力学模型的建立
• 6.1 前言
• 6.2 等时转变动力学模型的理论基础
• 6.2.1 传统的等时晶化动力学模型
• 6.2.2 传统的等时晶化动力学模型的弊端
• 6.3 改进的等时晶化动力学模型：转变体积分数形式
• 6.4 转变速率形式的等时晶化动力学模型
• 6.5 多峰转变动力学模型
• 6.5.1 对等温多峰重叠反应的处理
• 6.5.2 多峰转变在改进的等时晶化模型中的应用
• 6.5 小结
• 第七章 改进的等时晶化动力学模型及其精确度检验
• 7.1 前言
• 7.2 样品成分的选择
• 7.3 实验过程和结果分析
• 7.4 Kissinger 方法
• 65Cu₂₅Y₁₀ 非晶合金中的应用'>7.5 改进的动力学模型在Mg₆₅Cu₂₅Y₁₀非晶合金中的应用
• 7.5.1 改进的等时晶化转变动力学模型
• 7.5.2 拟合结果分析
• 7.6 改进的等时晶化转变动力学精确度的检验
• 7.7 小结
• 第八章 非晶晶化动力学过程孕育阶段的分析与应用
• 8.1 前言
• 8.2 孕育动力学模型的建立
• 8.3 非晶晶化过程分析
• 8.3.1 实验及结果
• 8.3.2 晶化孕育动力学分析
• 8.4 小结
• 第九章 全文结论
• 附录 具有较强表面酸性和水热稳定性的微孔
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文及参加科研情况
• 致谢