合金在长落微重力与重力环境下的凝固行为研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 封少波 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2012 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 李殿中 ; 罗兴宏 |
| 关键词 | 微重力 长落管 凝固 Al-Cu合金 高温合金 microgravity long drop tube solidification Al-Cu alloy superalloys |
| 学位专业 | 材料加工工程 |
| 中文摘要 | "摘 要 绝大多数金属材料在其成为最终产品前都要经历一次甚至多次凝固过程，在凝固过程中形成的微观组织和成分分布对合金的使用性能具有重要影响。因此，控制凝固过程中的显微组织形成是人们长期追求的目标。在金属的凝固中形核和长大过程都因与流体相关联而直接或间接地受到重力的作用，这阻碍了人们对凝固过程物理本质的进一步认识。近年来，利用微重力环境来研究重力在凝固过程中的作用成为一条新的途径。长落管是地面上模拟空间微重力环境的主要手段之一，但合金熔体在长落管的短时微重力环境下难以凝固，这极大地限制了其在微重力材料科学研究方面的应用。因此，本文首先设计一种新的实验方法解决了上述问题，并利用该方法开展了Al-Cu合金及SRR99单晶在长落管的微重力环境与重力环境下的凝固实验，对比分析了重力对凝固组织和成分偏析的影响。此外，还研究了偏析对DZ483高温合金糊状区内液相密度的影响。本文取得了以下主要研究成果： 1. 总结了传统长落管微重力材料实验方法的特点，分析认为熔体在下落过程中难以实现凝固的主要原因是缺乏有效形核质点和良好的冷却途径。为此提出了利用母材作为籽晶来克服这些问题，并设计了新的实验方法——籽晶法。利用几种典型金属及合金对新方法进行了实验验证。结果表明，籽晶不仅为熔体提供了凝固生长基底，还可作为冷端促进熔体冷却，从而可充分利用长落管的短时微重力环境。 2. 利用籽晶法开展了Al-4.5wt%Cu合金在微重力与重力环境下的凝固试验。结果表明：重熔部位的凝固组织由从籽晶外延生长的柱状枝晶及等轴晶粒构成。与重力试样相比，微重力试样外延生长枝晶一次及二次臂间距减小。此外，微重力试样中等轴晶粒不仅分布在试样顶部，还分布在外延生长区域内及靠近坩埚壁处，而重力试样中等轴晶粒集中分布在试样顶部。分析认为，宏观浮力对流使溶质原子在中心区域的外延生长枝晶凝固前沿聚集，从而导致重力试样一次枝晶间距增加。此外，枝晶间的微观浮力对流也增大了一次枝晶间距。宏观浮力对流和微观浮力对流还促进了二次枝晶粗化，导致二次枝晶间距增大。重力导致的对流和浮力对等轴晶粒的分布也存在影响。 3. Al-20wt%Cu合金在微重力与重力环境下的凝固研究表明，合金重熔部分的凝固组织主要为等轴晶粒。微重力试样中等轴晶粒尺寸细小且较均匀，枝晶形貌较为发达，二次枝晶臂细小。而重力试样中等轴晶粒尺寸较大但不均匀，枝晶形貌较破碎，二次枝晶臂粗大。分析认为，等轴晶主要来源于未熔化的枝晶碎片和异质形核。宏观浮力对流造成部分晶粒长大速度减慢，使得晶粒尺寸不均。此外，枝晶间的微观浮力对流加速了二次枝晶臂的粗化，甚至可导致枝晶破碎。 4. 利用等温凝固结合水淬的方法研究了偏析对DZ483镍基高温合金糊状区内液相密度的影响，并分析了不同合金元素的偏析对液相密度变化的贡献。结果表明：液相密度随凝固的进行而减小，合金糊状区内出现密度反转；Mo、Ta的偏析导致液相密度增大，而Ti和W的偏析导致液相密度减小。合金元素的偏析对液相密度影响由大到小的顺序为: Ti＞Ta＞W＞Cr＞Mo＞Al＞Co。碳化物的析出消耗了大量的Ta和Ti，使得液相密度在1325至1315℃之间随温度的降低而有所增加。 5. SRR99镍基单晶高温合金在微重力与重力环境下的凝固研究表明，合金重熔部分的凝固组织主要为从籽晶外延生长的柱状枝晶和从器壁形核生长的枝晶。与重力试样相比，微重力试样外延生长枝晶一次及二次枝晶间距均变小。此外，微重力试样和重力试样中合金元素的偏析行为未发生明显变化，但偏析程度却有所不同。与重力试样相比，微重力试样中Al、Ti和Co的偏析更为显著，而W的偏析有所减轻，但Ta的偏析未发生变化。Al、Ti的偏析程度不同导致微重力试样枝晶干中g¢相尺寸较大，分布不均，而重力试样中g¢相尺寸较小，分布较均匀。分析认为，宏观浮力对流使合金的一次枝晶间距增大，但微观浮力对流导致一次枝晶间距减小，两者综合作用导致一次枝晶间距有所增加。此外，宏观和微观浮力对流还促进了二次枝晶粗化，导致二次枝晶间距增大。微观浮力对流还影响了一些合金元素的偏析程度，从而导致枝晶干析出的g¢相有所变化。 关键词：微重力，长落管，凝固，Al-Cu合金，高温合金" |
| 公开日期 | 2013-04-12 |
| 源URL | [http://210.72.142.130/handle/321006/64484]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 封少波. 合金在长落微重力与重力环境下的凝固行为研究[D]. 北京. 中国科学院金属研究所. 2012. |
入库方式： OAI收割
来源：金属研究所
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