快速凝固Ni-Sn合金的组织与性能

论文摘要

本文采用单辊实验装置研究了Ni-28%Sn,Ni-30%Sn,Ni-32.5%Sn和Ni-33%Sn合金的快速凝固及组织特征,通过将金属熔体热传导方程与Navier-Stokes方程相耦合,理论计算了液态合金的冷却速率,并借助XRD和SEM分析技术,深入研究了急冷快速凝固条件下Ni-Sn共晶合金的相选择和组织演变规律,定量分析了快速凝固合金的电阻率、抗拉强度、伸长率和耐腐蚀性能,探索了冷却速率和组织形态与合金性能的相关性。研究结果表明:在快速凝固条件下,Ni-Sn合金不形成亚稳新相,凝固组织由a-Ni和β-Ni3Sn相组成。Ni-32.5%Sn共晶合金的组织形态以不规则共晶为特征。随着冷却速率的增大,层片状规则共晶组织逐渐减少至完全消失,共晶组织明显细化,沿条带厚度方向的均匀性显著提高,晶体形态由粗大的柱状晶向细小的等轴晶转变。快速凝固合金条带存在明显的边缘效应,条带边缘凝固组织异于中部。Ni-28%Sn亚共晶合金的凝固组织沿垂直辊面方向大致分为三个晶区:急冷面细晶区、中部柱状晶区和自由面粗大等轴晶区。随着冷速的增大,柱状晶区厚度减小,晶体形态由柱状晶向等轴晶转变。Ni-30%Sn和Ni-33%Sn近共晶合金处在共生区内接近共生区边界的成分点上,在冷速较低时,熔体凝固时有先析相析出;但是,当冷却速率较高时,先析相析出被抑制,a-Ni和β-Ni3Sn相竞相形核,交互生长,生长方式由枝晶生长向共晶生长转变,形成细小、均匀的不规则共晶组织。随着冷速的增大,一方面,合金组织细化、晶界增多,对自由电子的散射作用增强,有效电荷数降低,Ni-Sn共晶合金的电阻率显著增大,急冷面电阻率高于自由面电阻率。另一方面,细晶强化作用增强,合金的抗拉强度呈增大趋势,伸长率相应减小。另外,组织细化和均匀性提高使合金内部电位更趋均匀,快速凝固合金的抗腐蚀性能明显提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 研究背景和意义
• 1.1 引言
• 1.2 快速凝固分类
• 1.2.1 急冷快速凝固
• 1.2.2 深过冷快速凝固
• 1.3 快速凝固特征
• 1.3.1 成分均匀
• 1.3.2 固溶度扩展
• 1.3.3 组织细化
• 1.3.4 亚稳相形成
• 1.3.5 形成非晶态
• 1.4 快速凝固理论
• 1.4.1 溶质截流效应
• 1.4.2 液/固界面稳定性
• 1.4.3 快速枝晶生长
• 1.4.4 快速共晶生长理论
• 1.5 快速凝固合金的性能表征
• 1.5.1 快速凝固合金的电阻率
• 1.5.2 快速凝固合金的力学性能
• 1.5.3 快速凝固合金的抗腐蚀性能
• 1.6 本课题的研究内容
• 2 研究方案与实验装置
• 2.1 研究对象
• 2.2 实验装置
• 2.2.1 单辊急冷快速凝固原理
• 2.2.2 实验方法及过程
• 2.3 研究方案
• 2.3.1 冷却速率的理论计算
• 2.3.2 组织观察及性能测试
• 2.4 本章小结
• 3 Ni-32.5%Sn共晶合金的快速凝固
• 3.1 平衡凝固分析
• 3.2 共晶共生分析
• 3.3 快速凝固合金冷却速率的理论计算
• 3.4 合金的相组成
• 3.5 共晶合金快速凝固组织演变
• 3.6 急冷条件下不规则共晶形成机制
• 3.7 合金条带的边缘效应
• 3.8 本章小结
• 4 近共晶Ni-Sn合金的快速凝固特征
• 4.1 Ni-28%Sn和Ni-30%Sn亚共晶合金的快速凝固
• 4.1.1 平衡凝固分析
• 4.1.2 快速凝固合金冷却速率的理论计算
• 4.1.3 亚共晶合金的快速凝固组织演变
• 4.2 Ni-33%Sn过共晶合金的快速凝固
• 4.2.1 平衡凝固分析
• 4.2.2 快速凝固合金冷却速率的理论计算
• 4.2.3 Ni-33%Sn过共晶合金的快速凝固特征
• 4.3 本章小结
• 5 快速凝固Ni-Sn合金的性能表征
• 5.1 合金的电阻率
• 5.1.1 合金电阻率与冷却速率的相关性
• 5.1.2 合金电阻率随Sn含量的变化
• 5.1.3 磁场强度对快速凝固合金电阻率的影响
• 5.2 合金的力学性能
• 5.2.1 抗拉强度
• 5.2.2 伸长率
• 5.2.3 快速凝固合金的宏观断口形貌
• 5.3 合金的化学性能
• 5.4 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献