偏晶合金凝固過程及微合金化的影響.pdf

1、偏晶合金十分廣泛，其主要特點是，單一均勻的偏晶合金熔體在冷卻過程中將發(fā)生液-液相變，生成兩個互不混溶的液相。如凝固形成少量相以微小粒子形式彌散分布于基體中的復(fù)合材料，則許多偏晶合金具有優(yōu)異性能，在工業(yè)上擁有廣闊的應(yīng)用前景。然而，偏晶合金液-液相變過程十分復(fù)雜，影響因素繁多，在常規(guī)的凝固條件下，極易形成相偏析嚴(yán)重乃至兩相分層的凝固組織。這限制了該類合金的工業(yè)開發(fā)與應(yīng)用。開展偏晶合金凝固過程及其組織控制研究對推動偏晶合金材料工業(yè)應(yīng)用具有重要

2、意義。
　　微合金化對金屬和合金凝固過程與組織具有重要影響，但迄今為止，有關(guān)微合金化條件下偏晶合金凝固行為的研究鮮有報道，本論文采用實驗與模擬計算相結(jié)合的研究方法，研究微合金化條件下偏晶合金凝固行為，探索微合金化對偏晶合金凝固組織的影響及用微合金化法控制偏晶合金凝固過程及組織的可行性。主要研究工作及成果如下:
　　實驗研究了微量元素對偏晶合金凝固組織的影響，考察了微量元素Bi對Al-Pb合金、微量元素Sn對Al-Pb(Bi)

3、合金凝固組織的影響。發(fā)現(xiàn)微量元素Bi、Sn可以顯著細化Al-Pb(Bi)偏晶合金凝固組織;隨著微量元素添加量的增加，彌散相液滴的平均尺寸呈現(xiàn)先減小后保持不變的規(guī)律;彌散相體積分?jǐn)?shù)越大，微量表面活性元素對偏晶合金中彌散相粒子的細化效果就越好，表明微量元素Bi可以作為Al-Pb合金的表面活性元素，微量元素Sn可以作為Al-Pb(Bi)合金的表面活性元素。
　　建立了微量表面活性元素作用下偏晶合金連續(xù)凝固組織演變過程模型，并結(jié)合實驗開展

4、了模擬研究，揭示了微量表面活性元素對偏晶合金連續(xù)凝固組織的影響機理。結(jié)果表明，表面活性元素富集于基體液相與彌散相液滴界面處，降低偏晶合金液-液相變過程中兩液相間的界面能，從而提高彌散相液滴的形核率，降低彌散相液滴的Marangoni速率，促進偏晶合金形成彌散型凝固組織。
　　提出了在氟鹽反應(yīng)法中采用納米碳管(CNT)作為碳源制備Al-Ti-C中間合金的新思路，制備出了TiC顆粒彌散度高的Al-Ti-C中間合金，分析了CNT作為碳源

5、時Al-Ti-C中間合金凝固組織的形成過程，結(jié)果表明，Al-Ti-C中間合金制備過程中，TiC顆粒是通過固態(tài)C與溶質(zhì)Ti反應(yīng)生成，而不是通過溶質(zhì)C與溶質(zhì)Ti反應(yīng)生成;CNT尺寸小，比表面積大，能夠增加鋁熔體與CNT間的接觸面積，同時，CNT結(jié)構(gòu)中存在大量的缺陷和空位，使CNT具有較高的化學(xué)活性，這些均有利于促進CNT與溶質(zhì)Ti之間的反應(yīng)，促進TiC顆粒高度彌散分布于基體中的Al-Ti-C中間合金的形成。
　　以Al-Pb(Bi)偏

6、晶合金為對象，實驗研究了微量化合物TiC對偏晶合金凝固組織的影響。發(fā)現(xiàn)微量化合物TiC可以顯著細化Al-Pb(Bi)偏晶合金凝固組織;隨著TiC顆粒添加量的逐漸增加，彌散相液滴的平均尺寸呈現(xiàn)先保持不變、增大、減小再保持不變的趨勢;彌散相體積分?jǐn)?shù)越大，微量化合物TiC對彌散相粒子的細化效果就越好，表明TiC顆?？梢宰鳛锳l-Pb(Bi)偏晶合金液-液相變過程中彌散相液滴的有效異質(zhì)形核質(zhì)點，能大幅度提高彌散相液滴形核率，促進彌散型偏晶合金凝

7、固組織的形成。
　　建立了TiC顆粒在偏晶合金熔體中的動力學(xué)行為模型及微量化合物TiC作用下偏晶合金凝固組織演變過程模型，模擬計算與實驗研究相結(jié)合，分析了TiC顆粒在合金熔體中的動力學(xué)行為及其對偏晶合金凝固組織的影響，闡明了微量化合物TiC對偏晶合金凝固組織形成過程的影響機理。結(jié)果表明，TiC顆粒自加入偏晶合金熔體后會發(fā)生溶解、粗化及冷卻時沉淀析出過程，這一過程對偏晶合金凝固組織影響重大，TiC顆粒對彌散相液滴的細化效果主要取決于