定向凝固Al-Mn-(Be)合金先結(jié)晶相生長(zhǎng)行為及力學(xué)性能.pdf

1、本論文選擇Al-6wt％Mn(-2.5wt.%Be)合金為研究對(duì)象。通過(guò)定向凝固技術(shù)研究初生相Al6Mn化合物的生長(zhǎng)形貌及其演變過(guò)程,揭示不同凝固條件對(duì)Al6Mn化合物生長(zhǎng)行為的影響規(guī)律。另外,通過(guò)將第三組元Be加入Al-Mn合金中,研究少量Be的加入對(duì)其凝固特性及準(zhǔn)晶I相形成的影響,探討B(tài)e加入后合金中化合物相和準(zhǔn)晶相的形貌特征與生長(zhǎng)機(jī)制。在此基礎(chǔ)上,研究了不同凝固條件下定向凝固Al-Mn-(Be)合金的力學(xué)性能,分析了兩種合金的斷裂

2、行為和強(qiáng)化機(jī)制,探索制備具有化合物相或準(zhǔn)晶相彌散分布在基體中凝固組織的高強(qiáng)原位復(fù)合材料的工藝。這為實(shí)現(xiàn)化合物相形貌的主動(dòng)控制,發(fā)展先進(jìn)化合物或準(zhǔn)晶顆粒原位增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料提供必要的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。
　　在較低的生長(zhǎng)速度(V=1?m/s)下,Al6Mn相主要以拉長(zhǎng)的,且具有尖銳棱角的小平面形式析出。結(jié)合定向凝固試樣的EBSD和晶體結(jié)構(gòu)分析表明,Al6Mn晶體在定向凝固條件下沿晶體學(xué)方向[001]擇優(yōu)生長(zhǎng),而且相對(duì)于其它低指數(shù)面

3、,(011)和(101)面更密堆。所以,在低生長(zhǎng)速度下,Al6Mn相趨向于形成由四個(gè){011}晶面和四個(gè){101}晶面組成的八面體形貌。通過(guò)對(duì)實(shí)際三維形貌的分析,結(jié)合晶體結(jié)構(gòu)決定的晶面關(guān)系和外部生長(zhǎng)環(huán)境,建立了Al6Mn相近平衡生長(zhǎng)過(guò)程模型。本論文基于Al6Mn相正交結(jié)構(gòu)的晶格參數(shù),結(jié)合實(shí)際的形貌,量化了Al6Mn(001),(011)和(101)面之間相對(duì)生長(zhǎng)速度與形貌的關(guān)系。
　　隨著生長(zhǎng)速度的增加,Al6Mn相的形貌由實(shí)心的

4、截頂多面體或棱柱轉(zhuǎn)變?yōu)榭招牡睦庵俚讲蹱钚蚊?最后直至發(fā)達(dá)的枝晶(V=1000?m/s),實(shí)現(xiàn)了Al6Mn化合物相的生長(zhǎng)方式由小平面生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉切∑矫嫔L(zhǎng)。生長(zhǎng)速度的增加,引起了由體積擴(kuò)散決定的角和邊加速生長(zhǎng),形成空心的棱柱和槽狀形貌。同時(shí),還導(dǎo)致了固/液界面過(guò)冷度的增加,促進(jìn)了Al6Mn相的連續(xù)生長(zhǎng),形成枝晶狀的Al6Mn相。本文建立了冷卻速率增大后小平面向非小平面生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變的熔體團(tuán)簇模型,很好地解釋了Al6Mn相生長(zhǎng)方式的轉(zhuǎn)變。

5、>　　利用Helmholtz公式揭示了(001)和(101)晶面表面能與復(fù)雜正方晶系A(chǔ)l6Mn相臨界形核形貌的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)Al6Mn相的生長(zhǎng)是由二維晶核和螺型位錯(cuò)層生長(zhǎng)機(jī)制共同控制的,兩種機(jī)制均在密堆的(101)和(011)面上進(jìn)行。提出了Al6Mn相的不斷形核和生長(zhǎng)交替進(jìn)行的溝槽重復(fù)形核生長(zhǎng)模型。
　　Be的加入使二元相圖向高M(jìn)n區(qū)移動(dòng),引入三種金屬間化合物相,λ-Al4Mn、H1相和Be4AlMn相,明顯細(xì)化了鑄態(tài)和定向凝固的組

6、織。同時(shí),Be的加入有效地促進(jìn)了準(zhǔn)晶I相的形成,表現(xiàn)為減小了I相形成所需的Mn含量和冷卻速度。在定向凝固過(guò)程中,其臨界冷卻速度形成范圍被確定為1.5~2.5K/s。
　　在定向凝固Al-6wt%Mn-2.5wt.%Be合金中,隨著生長(zhǎng)速度的增加,初生析出相和共晶基體中的化合物相發(fā)生了競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)。初生相先由λ-Al4Mn轉(zhuǎn)變?yōu)镠1相,最后轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)晶I相?；w也由(α-Al+λ-Al4Mn)轉(zhuǎn)變?yōu)?α-Al+H1)相進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)?α-A

7、l+I相)共晶。同時(shí),伴隨其三維形貌的變化:六棱柱λ-Al4Mn→六棱柱H1相→六瓣花狀H1相→枝晶H1相→小平面I相→花瓣I相→枝狀I(lǐng)相。基于偽I13簇并結(jié)合H1相的高分辨圖像,建立了H1相的結(jié)構(gòu)模型,通過(guò)其結(jié)構(gòu)相似性,很好地解釋了上述的轉(zhuǎn)變過(guò)程。λ-Al4Mn、H1相和Be4AlMn相的三維形貌與其晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān),其生長(zhǎng)方式均為在密排面上的二維晶核層生長(zhǎng)。
　　隨著生長(zhǎng)速度的增加,初生準(zhǔn)晶I相的形貌和生長(zhǎng)方式均發(fā)生了轉(zhuǎn)變,即

8、由小平面的五角十二面體簇形貌轉(zhuǎn)變?yōu)榛ò曛蚊?再到非小平面的發(fā)達(dá)枝晶形貌。由此,建立了五角十二面體簇形貌在二次、三次和五次方向的二十面體對(duì)稱(chēng)模型,并提出了準(zhǔn)晶I相的生長(zhǎng)過(guò)程模型,發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶I相是通過(guò)二維晶核層生長(zhǎng)機(jī)制在五次面上進(jìn)行生長(zhǎng)的。
　　利用定向凝固方法獲得了金屬間化合物和準(zhǔn)晶I相強(qiáng)化復(fù)合材料。對(duì)其力學(xué)性能研究發(fā)現(xiàn),兩種成分Al-6wt%Mn和Al-6wt%Mn-2.5wt.%Be合金的室溫力學(xué)性能隨生長(zhǎng)速度的增加而增加,而

9、延伸率先減小后增加,這主要是由強(qiáng)化相的性質(zhì)決定。Al-6wt.%Mn和Al-6wt.%Mn-2.5wt.%Be合金在生長(zhǎng)速度為1000μm/s時(shí),抗拉強(qiáng)度最高同時(shí)具有較高的延伸率,分別為188和244MPa及16.66%和12.01%。兩種合金的斷裂方式都隨生長(zhǎng)速度的增加由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性。Be的加入明顯改善了合金尤其是高生長(zhǎng)速度合金的性能。這主要?dú)w因于Al-6wt.%Mn-2.5wt.%Be合金中除了具有顆粒強(qiáng)化和基體強(qiáng)化外,還包括準(zhǔn)晶