Al-25wt.%Co包晶合金定向凝固组织演化规律研究

论文摘要

本文以初生相和包晶相均为金属间化合物的Al-25wt.%Co包晶合金为研究对象,采用DSC差热分析对金属间化合物相的形核特性进行了研究,并进一步研究了合金在定向凝固启动前热稳定和1μm/s1000μm/s的定向凝固过程的微观组织演化。利用金相显微镜、扫描电镜等分析手段,对初生相及包晶相形核所需的过冷度进行了研究,分析了定向凝固启动前初始条件的准备,并进一步研究了定向凝固过程金属间化合物初生相和包晶相的小平面生长特性、包晶反应模式等。获得了金属间化合物相的形核与生长特性,以及定向凝固Al-25wt.%Co合金两相微观组织演化规律和包晶反应机制。合金铸态和定向凝固组织由初生相Al13Co4、包晶相Al9Co2及共晶体组成。包晶两相均呈棱角状,具有典型的小平面相特性,成分严格保持其化学计量比。初生相和包晶相的形核过冷度较大,在32K72K之间。初生相作为包晶相形核基底的作用不明显,包晶相只能局部包裹初生相。在定向凝固启动前的热稳定处理过程中,试样中形成了典型的熔化糊状区。随热稳定处理时间的增长,熔化糊状区内液相含量逐渐减小,糊状区长度也随之缩短,固液界面前沿液相Co含量也逐渐减低,固液界面逐渐平整。合金定向凝固组织中,初生相和包晶相以堆垛方式生长。包晶相在初生相晶粒表面非连续的、堆垛式的形核,包晶相晶粒之间存在明显的液相通道,保证包晶反应的进行。生长速度低于15μm/s时,随凝固距离的增大,初生相体积分数逐渐减小,最后,包晶相取代初生相成为领先相。这是合金初始Co含量较低,金属间化合物相的溶质分凝特性及凝固过程中发生包晶反应生成包晶相等因素综合影响的结果。抽拉速度大于20μm/s时,初生相始终作为领先相,包晶反应对初生相的消耗明显减少。随着生长速度的增大,初生相和包晶相尺寸逐渐减小,液相体积分数逐渐增加,部分包晶相从液相中形核析出。抽拉一定距离后的保温实验证实,在较长保温时间及较高温度区域,才会发生包晶转变导致初生相溶解,定向凝固过程中包晶转变导致的初生相消耗很少。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的目的和意义
• 1.2 定向凝固技术及其发展
• 1.3 包晶合金的凝固理论
• 1.3.1 包晶合金的平衡凝固
• 1.3.2 包晶合金的非平衡凝固
• 1.3.3 包晶合金凝固过程相的形核与生长
• 1.4 包晶合金定向凝固
• 1.4.1 定向凝固启动前热稳定处理
• 1.4.2 包晶合金定向凝固组织
• 1.4.3 包晶凝固相与组织选择
• 1.5 本文研究内容
• 第2章 试验材料与试验方法
• 2.1 研究方案
• 2.2 试验合金成分的选择
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 母合金制备及成分分析
• 2.3.2 试验设备
• 2.3.3 定向凝固实验流程
• 2.3.4 具体试验方案
• 2.4 试样的金相处理及分析
• 第3章 Al-25wt.% Co 合金定向凝固组织演化
• 3.1 原始合金热分析实验
• 3.2 定向凝固启动前热稳定处理
• 3.2.1 热稳定处理工艺
• 3.2.2 热稳定处理组织
• 3.2.3 固液界面前沿熔体准备状况
• 3.2.4 热稳定处理过程中熔化糊状区组织演化机制
• 3.3 Al-25wt.%Co 合金定向凝固组织
• 3.3.1 定向凝固宏观组织
• 3.3.2 固液界面形貌
• 3.3.3 典型定向凝固组织的形成与演化
• 3.4 凝固组织演化规律
• 3.4.1 Al-25wt.%Co 合金包晶反应模式
• 3.4.2 初生相和包晶相含量
• 3.4.3 固液界面形貌与凝固条件的关系
• 3.5 本章小结
• 第4章 Al-25wt.% Co 合金定向凝固中的包晶相领先生长机制与包晶转变
• 4.1 金属间化合物相的凝固特性
• 4.1.1 Al-25wt.%Co 合金中初生相和包晶相成分分布
• 4.1.2 包晶相以低速平界面生长固/液界面前沿溶质分凝特性
• 4.1.3 包晶相生长形貌随抽拉速度的变化规律
• 4.2 Al-25wt.%Co 包晶合金定向凝固中的包晶相领先生长机制
• 4.3 包晶相领先生长机制的实验论证
• 4.3.1 V=1μm/s 抽拉不同距离的定向凝固组织演化
• 4.3.2 V=5μm/s 抽拉不同距离的定向凝固组织演化
• 4.3.3 淬火界面前沿液相成分
• 4.4 包晶转变
• 4.4.1 定向凝固50μm/s 抽拉速度后保温实验
• 4.4.2 保温过程中各相含量的变化规律
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢