Al-Cu合金定向凝固過程中的形態(tài)演化.pdf

1、鑄件凝固過程及組織的控制是金屬學(xué)領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容之一。對(duì)于大型零件特別是形狀復(fù)雜的鑄件，通過合理設(shè)計(jì)材料組織，控制其澆鑄過程，可以顯著提高工件性能并充分發(fā)揮材料的設(shè)計(jì)潛力。凝固組織設(shè)計(jì)涉及多方面內(nèi)容，包括凝固條件、組織形態(tài)、鑄件性能以及三者之間的相互關(guān)系。其中，對(duì)凝固組織形態(tài)演進(jìn)規(guī)律的認(rèn)識(shí)是其核心內(nèi)容之一。
　　從實(shí)驗(yàn)的角度研究金屬凝固過程形態(tài)演進(jìn)具有較大的困難。首先，液態(tài)金屬一般具有較高熔點(diǎn)。其次，液態(tài)金屬對(duì)于可見光不透明。第

2、三，難以對(duì)生長前沿進(jìn)行持續(xù)動(dòng)態(tài)跟蹤。傳統(tǒng)的研究方法包括有機(jī)合金的模擬研究和界面的快速冷凍。這些方法在一定程度上促進(jìn)了凝固形態(tài)學(xué)的發(fā)展，但也具有相當(dāng)?shù)木窒?。?dāng)前，高亮度同步幅射成像技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)研究金屬凝固過程中的形態(tài)演進(jìn)過程提供了理想的實(shí)驗(yàn)條件。
　　本課題借助上海光源X射線成像線站提供的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在定向凝固條件下對(duì)不同成分二元Al-Cu合金中的晶體生長現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)性實(shí)時(shí)原位觀察研究。結(jié)合凝固后的組織分析，研究了枝晶

3、臂的斷裂原因、柱狀枝晶向等軸枝晶的轉(zhuǎn)變、枝晶形態(tài)選擇和Al2Cu晶體的形態(tài)演進(jìn)等問題。
　　斷裂的枝晶臂可以作為生長界面前沿等軸枝晶的形核核心，促進(jìn)等軸枝晶的形成并進(jìn)而阻斷柱狀枝晶的連續(xù)生長，因此對(duì)枝晶生長形態(tài)的演進(jìn)具有重要影響。本文以亞共晶Al-Cu合金中的柱狀枝晶為研究對(duì)象，分別從力學(xué)和重熔的角度研究了枝晶臂的斷裂原因，揭示了枝晶臂斷裂與枝晶生長前沿的成分過冷以及熔體流動(dòng)的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，枝晶臂的斷裂過程中，重熔和應(yīng)力作用同時(shí)

4、存在并相互促進(jìn)。重熔作用在斷裂的最初階段起主導(dǎo)作用，隨著枝晶臂根部縮頸半徑的減小，應(yīng)力集中效應(yīng)逐漸明顯。當(dāng)縮頸半徑減小到對(duì)應(yīng)于枝晶臂屈服強(qiáng)度的臨界縮頸半徑時(shí)，枝晶臂將發(fā)生斷裂。研究還發(fā)現(xiàn)，在距生長最前沿800-1000μm處存在枝晶臂斷裂的敏感帶，枝晶臂的斷裂可以連續(xù)進(jìn)行。
　　研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)柱狀枝晶一次晶臂間距較小且排列整齊時(shí)，柱狀枝晶生長前沿具有穩(wěn)定的溫度梯度和濃度梯度，熔體對(duì)流也相對(duì)較弱，柱狀形態(tài)易于保持動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定。當(dāng)因?yàn)樯L

5、方向的偏差導(dǎo)致柱狀枝晶一次晶臂間距逐漸增大或者生長方向發(fā)生改變時(shí)，會(huì)在界面前沿形成較大的開放區(qū)域，即袋狀熔體區(qū)。袋狀熔體區(qū)附近的高階晶臂更為發(fā)達(dá)，同時(shí)由于該區(qū)域的開放性，在其中可以形成較強(qiáng)的熔體對(duì)流，從而促使位于斷裂敏感帶的高階晶臂發(fā)生斷裂。斷裂的晶臂碎片在熔體中呈等軸方式長大并向生長前沿漂移。隨著固液相密度差的減小，等軸晶的漂移在生長前沿停滯并阻斷柱狀枝晶的連續(xù)生長。枝晶臂的連續(xù)斷裂形成的碎片可以作為等軸晶生長的核心。
　　在枝

6、晶生長演變過程中，發(fā)現(xiàn)了Al-15wt.％Cu合金中柱狀枝晶的形態(tài)選擇。發(fā)現(xiàn)一種新的柱狀枝晶形態(tài)，根據(jù)其特征命名為無軸柱狀枝晶。該型枝晶由兩個(gè)較大的分枝組成，其中心為狹長液相區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)無軸柱狀枝晶沿<110>方向生長。建立了枝晶尖端模型，分析了無軸柱狀枝晶尖端附近熔體中的溶質(zhì)分布及尖端位置的微觀熱流，解釋了其二次晶臂的生長優(yōu)勢(shì)。
　　對(duì)于過共晶合金，詳細(xì)研究了合金中的晶體生長特點(diǎn)。Al2Cu晶體的生長尖端為細(xì)長針狀，沿[001]

7、方向生長迅速。相鄰的晶體在生長后期逐步融合為較大的簇狀晶體。簇狀晶體的橫截面為不規(guī)則的正方形形態(tài)。其外圍小晶體環(huán)繞晶體簇中心向外拓展生長，生長速度相對(duì)緩慢。結(jié)合Al2Cu晶體的結(jié)構(gòu)特征，分析了晶體生長過程中微觀熱流傳遞，解釋了簇狀形態(tài)的形成原因，分析了過共晶合金中初生相的生長機(jī)制。
　　綜上，通過對(duì)不同成分合金凝固組織演變過程的實(shí)時(shí)原位分析，揭示了晶體生長過程中一部分關(guān)鍵形態(tài)演變規(guī)律，為亞共晶及過共晶合金的組織控制提供了重要依據(jù)。