Fe-Ni包晶合金定向凝固過程中的組織演化規(guī)律.pdf

1、包晶合金是一類應用非常廣泛的工程合金，隨著具有重要工程應用前景的高溫金屬間化合物結構材料 Ti-Al、Fe-Al、Ni-Al合金，稀土永磁材料Nd-Fe-B和Co-Sm-Al合金，以及高溫氧化物超導材料 Y/Nd-Ba-Cu-O等新型包晶系材料的開發(fā)，包晶合金的凝固過程近年來受到人們的極大關注。一方面，凝固過程是制備包晶系材料一個很難避免的工藝過程，對材料的最終組織和性能必然產(chǎn)生重要影響；另一方面，近年來在包晶系材料凝固過程中發(fā)現(xiàn)了大量

2、新穎的組織。這些組織的出現(xiàn)極大地豐富了現(xiàn)有的包晶凝固理論，同時也反映出人們目前對包晶凝固過程認識的局限性。因此，工程應用和凝固理論的研究都迫切需要人們對包晶凝固過程進行深入的研究。
　　本文選擇包晶系模型合金 Fe-Ni合金，通過系統(tǒng)的定向凝固實驗研究了Fe-Ni包晶合金定向凝固過程中的組織演化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)在 Fe-Ni合金定向凝固過程中，包晶反應在很大的凝固速度范圍內都是存在的，并且對多種組織的形成具有重要的影響。此外，本文重點考

3、察了包晶合金定向凝固過程中的兩相共生生長——等溫共生生長和胞狀共生生長的演化過程。最后，根據(jù)低速段和高速段 Fe-Ni合金的定向凝固組織演化，本文討論了包晶合金定向凝固過程中相和組織選擇理論及其適用性。
　　對Fe-4.0Ni、Fe-4.3Ni和Fe-4.5Ni三種合金分別在6K/mm、8K/mm和12K/mm三種溫度梯度下進行了系統(tǒng)的低速（V≤20μm/s）定向凝固實驗，得到了豐富的組織：離散帶狀組織、混合帶狀組織、島狀組織、等

4、溫共生生長組織、胞狀非等溫共生生長組織、振蕩樹狀（層狀）組織、枝晶島狀組織及傳統(tǒng)的包晶枝晶組織。證明了包晶合金定向凝固過程中是可以形成類似共晶系中的等溫（平界面）共生生長。然而與共晶共生生長不同，包晶等溫共生生長需要嚴格的形成條件、很長的初始過渡過程，并且形態(tài)穩(wěn)定性很差，所以包晶共生生長很難生長出規(guī)則排列的兩相復合組織。而當 G/V逐漸降低，包晶合金定向凝固過程中胞狀初生相δ與近平界面包晶相γ之間形成的弱耦合胞狀非等溫共生生長卻可以生長

5、出非常規(guī)則的兩相復合組織，并且這種生長方式具有很好的形態(tài)穩(wěn)定性，很短的初始過渡區(qū)，很容易達到穩(wěn)定狀態(tài)，從而可能取代等溫共生生長成為制備包晶系規(guī)則排列原位自生復合材料的新的生長方式。
　　在包晶兩相的生長過程中，在 liquid/δ/γ三相交接點附近一直存在明顯的包晶反應。在包晶反應過程中，初生相δ的部分重溶使 liquid/δ界面在三相交接點附近出現(xiàn)局部下凹，從而使三相交接區(qū)域嚴重偏離共晶共生生長過程中正常的三相交接區(qū)形態(tài)；另一方

6、面包晶反應對局部區(qū)域包晶兩相的生長動力學具有重要的影響。因此，包晶反應在包晶合金定向凝固過程中的兩相組織演化將產(chǎn)生重要影響。本文詳細討論了包晶反應在島狀組織、島狀枝晶組織、競爭振蕩組織的形成過程中的重要作用。此外，本文發(fā)現(xiàn)包晶反應對三相交接局部區(qū)域兩相生長動力學的影響是引起包晶等溫共生生長和胞狀共生生長形態(tài)不穩(wěn)定的主要原因。
　　為更好地理解包晶等溫共生生長，在 Boettinger-Jackson-Hunt平衡包晶共生生長模型的

7、基礎上建立了考慮包晶反應的包晶共生生長模型，發(fā)現(xiàn)包晶反應完成完全平衡狀態(tài)的60％～80％時理論預測與Fe-Ni合金共生生長的實驗結果吻合很好。結合實驗結果證明了包晶共生生長確實是在過熱狀態(tài)下進行，并且為目前實驗中得到的共生生長不滿足共生生長形態(tài)穩(wěn)定性假設之間的矛盾提供了一種解釋。
　　通過分析 Fe-Ni胞狀非等溫共生生長的形態(tài)，分布特征和間距特征，發(fā)現(xiàn)胞狀共生生長過程中初生相胞的形態(tài)可以由流體動力學中的Saffman-Taylo

8、r粘性指（viscous finger）方程準確描述，這為定向凝固胞晶與粘性指的相似性提供了新的證據(jù)。由于單相合金定向凝固理論發(fā)展起來的間距預測模型無法預測包晶胞狀共生生長這種多相生長的間距變化規(guī)律，本文在單相合金凝固理論的基礎上建立一個預測多相合金胞/枝凝固的間距預測模型。理論預測結果與Fe-Ni合金定向凝固中得到的實驗結果吻合很好。此外，在單相合金胞/枝凝固理論的基礎上建立了一個穩(wěn)定胞狀共生生長的預測模型，得到了穩(wěn)定胞狀共生生長的存