高溫度梯度定向凝固Al-In和Cu-Pb合金組織演化.pdf

1、本文選擇典型的Al-In和Cu-Pb偏晶合金作為研究對(duì)象，研究了在定向凝固工藝條件下微觀組織的轉(zhuǎn)變過程并對(duì)其進(jìn)行了理論分析，同時(shí)采用相場法模擬了偏晶合金微觀組織演化過程。
　　在高溫度梯度下對(duì)Al-In偏晶合金進(jìn)行定向凝固，考察了不同凝固速度、化學(xué)成分以及第三組元對(duì)偏晶合金凝固組織的影響，獲得了定向凝固條件下微觀組織的演化規(guī)律，即在固定的溫度梯度下，隨著抽拉速度的增大，第二相形態(tài)演化的過程依次為：規(guī)則的纖維狀，發(fā)生頸縮的紡錘狀，粗

2、化的球狀，均勻彌散分布于基體中。纖維間距隨著凝固速度的增大而減小，隨著溫度梯度的增大，纖維狀向球狀轉(zhuǎn)變的臨界速度相應(yīng)增大。
　　在Cu-Pb亞偏晶成分范圍內(nèi)進(jìn)行定向凝固時(shí)，組織呈現(xiàn)枝晶的形貌，當(dāng)鉛含量增加時(shí)，組織由枝晶向不規(guī)則的棒狀組織轉(zhuǎn)變。隨著鉛含量的增大，組織由枝晶向不規(guī)則的棒狀組織轉(zhuǎn)變所需要的凝固速度減小。在Cu-Pb過偏晶成分范圍內(nèi)進(jìn)行定向凝固時(shí)，抽拉速度和鉛含量較低時(shí)，容易形成拉長的粒子狀第二相，而后隨著抽拉速度的進(jìn)一步

3、增加向不規(guī)則的棒狀第二相轉(zhuǎn)變。而抽拉速度較低和鉛含量較高的時(shí)候形成帶狀組織，隨著抽拉速度的進(jìn)一步提高組織會(huì)由帶狀向拉長的粒子狀組織轉(zhuǎn)變。在偏晶點(diǎn)附近形成不規(guī)則的棒狀復(fù)合組織的鉛含量隨著凝固速度的增加而增大。
　　基于共晶理論模型考慮生成相密度的不同對(duì)凝固界面前沿溶質(zhì)場進(jìn)行求解，在此基礎(chǔ)上對(duì)過冷度計(jì)算，進(jìn)而進(jìn)行偏晶合金定向凝固中第二相纖維球化以及規(guī)則第二相纖維與非規(guī)則第二相纖維之間轉(zhuǎn)變的理論預(yù)測，綜合考慮了界面能、第二相體積分?jǐn)?shù)以及

4、液相線斜率對(duì)偏晶合金定向凝固組織的影響因素的情況下，對(duì)偏晶合金定向凝固規(guī)則與非規(guī)則第二相纖維轉(zhuǎn)變提出一個(gè)新的判據(jù)。并利用此判據(jù)對(duì)五種典型的偏晶合金系進(jìn)行計(jì)算，所獲得預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察的第二相纖維規(guī)則情況吻合較好。通過對(duì)沿著規(guī)則L2相纖維表面成正弦分布的擾動(dòng)進(jìn)行分析，以在纖維表面擾動(dòng)幅度達(dá)到R0時(shí)所需要的時(shí)間tp小于試樣在凝固界面以下TM到共晶反應(yīng)溫度TE之間運(yùn)動(dòng)時(shí)間t為臨界條件，推導(dǎo)出纖維狀的第二相可以發(fā)生頸縮，從而導(dǎo)致球化的判據(jù)。

5、r>　　采用計(jì)算效率和計(jì)算精度較高的Fourier變換譜分析方法求解Cahn-Hilliard相場方程，對(duì)Cu-Pb過偏晶合金液相分離過程中液滴生長和Ostwald熟化進(jìn)行模擬，研究了第二相液滴擴(kuò)散長大過程，同時(shí)耦合Navier-Stokes方程計(jì)算了流動(dòng)對(duì)Cu-Pb過偏晶合金的液相分離過程中液滴生長過程的影響。研究表明在過飽和基體中，單個(gè)第二相液滴生長的擴(kuò)散過程主要是系統(tǒng)自由能作用的結(jié)果，液滴半徑的長大速率與經(jīng)典的Zener理論吻合良

6、好。計(jì)算區(qū)域中多個(gè)第二相液滴粗化后液滴半徑的分布情況，與LSW解析理論吻合較好。第二相液滴在生長過程中，除了擴(kuò)散生長、Ostwald熟化以外，還受到定向凝固溫度場中溫度梯度的作用，產(chǎn)生Marangoni運(yùn)動(dòng)，在Marangoni力的驅(qū)動(dòng)下，液滴向溫度高的區(qū)域發(fā)生移動(dòng)，在隨后的凝固過程中，由于不同半徑的液滴之間受到Marangoni力的大小不同，移動(dòng)速度也不同，導(dǎo)致各種半徑大小的液滴之間發(fā)生碰撞，從而加速了液滴半徑粗化的進(jìn)程，使液滴半徑尺

7、寸沿著溫度梯度方向逐漸的增加。
　　干摩擦條件下定向凝固Cu-Pb金屬基自潤滑復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨固體潤滑劑體積分?jǐn)?shù)的增加而下降，減摩自潤滑效果逐漸提高。銅鉛自潤滑材料在含油的狀態(tài)下，形成了一種復(fù)合潤滑體制，具有很強(qiáng)的吸油能力，能形成高效能的膠體油鉛混合液態(tài)薄膜。由于摩擦接觸表面間油膜的存在，減輕了微凸凹體的接觸及表面間元素傳遞過程，降低了摩擦系數(shù)。由于定向凝固工藝方法使得第二相更加的均勻，因此定向凝固制備的銅鉛自潤滑材料普遍比熔