多元多相合金的熱力學(xué)描述及其在凝固過(guò)程中的應(yīng)用.pdf

1、科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中所用的金屬材料大多數(shù)是具有復(fù)雜成分的多元多相合金，對(duì)這類(lèi)材料凝固原理及其組織形成的研究有重要的實(shí)際意義。能否將凝固模型應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，關(guān)鍵就取決于對(duì)多元合金凝固組織的模擬是否成熟。本論文主要結(jié)合熱力學(xué)計(jì)算技術(shù)，對(duì)多元多相合金凝固過(guò)程中的溶質(zhì)分凝現(xiàn)象及其對(duì)凝固組織和溶質(zhì)偏析的影響進(jìn)行了較為深入的研究。 溶質(zhì)分凝是凝固過(guò)程中的重要伴隨現(xiàn)象，對(duì)凝固過(guò)程中的成分偏析及組織形成有著決定性的影響。在多元合金中由于存在

2、復(fù)雜的溶質(zhì)相互作用，用實(shí)驗(yàn)相圖分析溶質(zhì)分凝行為并不方便。本文首先從熱力學(xué)角度出發(fā)，建立了溶質(zhì)分凝因數(shù)的熱力學(xué)計(jì)算模型。詳細(xì)討論了Al-Cu二元合金和Al-Si-Mg三元合金凝固過(guò)程中溶質(zhì)的分凝行為。結(jié)合計(jì)算熱力學(xué)技術(shù)，對(duì)溶質(zhì)分凝因數(shù)的預(yù)測(cè)很好地吻合于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 為了快速提取系統(tǒng)的熱力學(xué)信息，減少計(jì)算時(shí)間，應(yīng)用Levenberg-Marquardt算法進(jìn)行了相圖的計(jì)算。Levenberg-Marquardt算法采用目標(biāo)函數(shù)的二階導(dǎo)

3、數(shù)，它能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算精度和收斂速度的較好結(jié)合。該方法適合于求解二元以及多元合金中的相平衡問(wèn)題。 研究了工業(yè)中廣泛應(yīng)用的Al-Si-Mg三元合金凝固過(guò)程中的溶質(zhì)分凝行為，確定了該合金凝固過(guò)程中溶質(zhì)分凝因數(shù)與固相分?jǐn)?shù)的定量關(guān)系。發(fā)現(xiàn)分凝因數(shù)隨固相分?jǐn)?shù)的變化而顯著變化，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離其二元系中的數(shù)值。定量預(yù)測(cè)了不同凝固條件下Al-Si-Mg合金的凝固路徑及共晶分?jǐn)?shù)。其結(jié)果與采用二元分凝因數(shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果偏差較大，而與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近。 結(jié)

4、合溶質(zhì)分凝的分析，研究了冷卻速率對(duì)Al-2.06wt％Si-1.58wt％Mg合金凝固過(guò)程的影響。實(shí)驗(yàn)和理論分析均發(fā)現(xiàn)，在低的冷卻速率下，其凝固過(guò)程為：L→L1+Fcc_Al→L1+Fcc_Al+Si→L1+Fcc_Al+Si+Mg2Si，而在較高的冷卻速率下，其凝固過(guò)程為：L→L1+Fcc_Al→L1+Fcc_Al+Mg2Si→L1+Fcc_Al+Si+Mg2Si。改變凝固速率可以使多元合金的凝固過(guò)程按照不同的路徑進(jìn)行，從而達(dá)到控制析

5、出相種類(lèi)的目的。 耦合熱力學(xué)計(jì)算技術(shù)，提出了多元合金凝固界面的穩(wěn)定性判據(jù)。以Al-0.34wt％Si-0.14wt％Mg合金為例，分別討論了耦合熱力學(xué)計(jì)算技術(shù)和采用二元系參數(shù)在對(duì)固液界面穩(wěn)定性判斷上的差別。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)耦合熱力學(xué)計(jì)算技術(shù)使得對(duì)界面穩(wěn)定性的判斷能更好地吻合于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 耦合熱力學(xué)計(jì)算技術(shù)，建立了多元合金強(qiáng)制枝晶生長(zhǎng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型。研究了Al-Si-Mg合金強(qiáng)制枝晶生長(zhǎng)過(guò)程中溶質(zhì)分凝因數(shù)的變化

6、，進(jìn)而研究了其對(duì)枝晶生長(zhǎng)過(guò)程的影響。預(yù)測(cè)了不同成分Al-Si-Mg合金強(qiáng)制枝晶生長(zhǎng)過(guò)程中一次枝晶間距的變化。耦合熱力學(xué)計(jì)算技術(shù)，能夠使預(yù)測(cè)值在很大成分范圍內(nèi)都更好地吻合于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 在多元合金凝固過(guò)程枝晶粗化方程的求解過(guò)程中利用了溶質(zhì)邊界層的概念，方便地獲得了固相中溶質(zhì)反擴(kuò)散通量，大大簡(jiǎn)化了方程的求解。在模擬多元合金枝晶臂粗化過(guò)程中耦合了熱力學(xué)計(jì)算技術(shù)，獲得了更加精確的相平衡信息。 結(jié)合多元擴(kuò)散系數(shù)，詳細(xì)研究了Cu-Sn

7、-Zn三元合金的枝晶生長(zhǎng)過(guò)程。在擴(kuò)散矩陣中非對(duì)角線(xiàn)項(xiàng)大約為對(duì)角線(xiàn)項(xiàng)的20％，并且各項(xiàng)在凝固過(guò)程中都有較大幅度的變化。因溶質(zhì)間相互作用改變了溶質(zhì)在液相中的傳輸條件，使得液相中的溶質(zhì)富集和枝晶生長(zhǎng)速度在同一過(guò)冷度條件下均發(fā)生了很大變化。 從熱力學(xué)角度分析了快速凝固過(guò)程中的溶質(zhì)分凝行為，揭示了多元合金中的溶質(zhì)分凝因數(shù)與平衡分凝因數(shù)、界面生長(zhǎng)速度、溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系。定量計(jì)算了三元合金快速凝固過(guò)程中溶質(zhì)分凝因數(shù)與生長(zhǎng)速度和擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系