Fe-Ni包晶合金定向凝固過(guò)程中的組織演化規(guī)律.pdf

1、包晶合金是一類應(yīng)用非常廣泛的工程合金，隨著具有重要工程應(yīng)用前景的高溫金屬間化合物結(jié)構(gòu)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(dǎo)材料 Y/Nd-Ba-Cu-O等新型包晶系材料的開(kāi)發(fā)，包晶合金的凝固過(guò)程近年來(lái)受到人們的極大關(guān)注。一方面，凝固過(guò)程是制備包晶系材料一個(gè)很難避免的工藝過(guò)程，對(duì)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(lái)在包晶系材料凝固過(guò)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(shí)也反映出人們目前對(duì)包晶凝固過(guò)程認(rèn)識(shí)的局限性。因此，工程應(yīng)用和凝固理論的研究都迫切需要人們對(duì)包晶凝固過(guò)程進(jìn)行深入的研究。
　　本文選擇包晶系模型合金 Fe-Ni合金，通過(guò)系統(tǒng)的定向凝固實(shí)驗(yàn)研究了Fe-Ni包晶合金定向凝固過(guò)程中的組織演化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)在 Fe-Ni合金定向凝固過(guò)程中，包晶反應(yīng)在很大的凝固速度范圍內(nèi)都是存在的，并且對(duì)多種組織的形成具有重要的影響。此外，本文重點(diǎn)考

3、察了包晶合金定向凝固過(guò)程中的兩相共生生長(zhǎng)——等溫共生生長(zhǎng)和胞狀共生生長(zhǎng)的演化過(guò)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(guò)程中相和組織選擇理論及其適用性。
　　對(duì)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(jìn)行了系統(tǒng)的低速（V≤20μm/s）定向凝固實(shí)驗(yàn)，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(zhǎng)組織、胞狀非等溫共生生長(zhǎng)組織、振蕩樹(shù)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(guò)程中是可以形成類似共晶系中的等溫（平界面）共生生長(zhǎng)。然而與共晶共生生長(zhǎng)不同，包晶等溫共生生長(zhǎng)需要嚴(yán)格的形成條件、很長(zhǎng)的初始過(guò)渡過(guò)程，并且形態(tài)穩(wěn)定性很差，所以包晶共生生長(zhǎng)很難生長(zhǎng)出規(guī)則排列的兩相復(fù)合組織。而當(dāng) G/V逐漸降低，包晶合金定向凝固過(guò)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(zhǎng)卻可以生長(zhǎng)

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

6、面包晶反應(yīng)對(duì)局部區(qū)域包晶兩相的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)具有重要的影響。因此，包晶反應(yīng)在包晶合金定向凝固過(guò)程中的兩相組織演化將產(chǎn)生重要影響。本文詳細(xì)討論了包晶反應(yīng)在島狀組織、島狀枝晶組織、競(jìng)爭(zhēng)振蕩組織的形成過(guò)程中的重要作用。此外，本文發(fā)現(xiàn)包晶反應(yīng)對(duì)三相交接局部區(qū)域兩相生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的影響是引起包晶等溫共生生長(zhǎng)和胞狀共生生長(zhǎng)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(zhǎng)，在 Boettinger-Jackson-Hunt平衡包晶共生生長(zhǎng)模型的

7、基礎(chǔ)上建立了考慮包晶反應(yīng)的包晶共生生長(zhǎng)模型，發(fā)現(xiàn)包晶反應(yīng)完成完全平衡狀態(tài)的60％～80％時(shí)理論預(yù)測(cè)與Fe-Ni合金共生生長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了包晶共生生長(zhǎng)確實(shí)是在過(guò)熱狀態(tài)下進(jìn)行，并且為目前實(shí)驗(yàn)中得到的共生生長(zhǎng)不滿足共生生長(zhǎng)形態(tài)穩(wěn)定性假設(shè)之間的矛盾提供了一種解釋。
　　通過(guò)分析 Fe-Ni胞狀非等溫共生生長(zhǎng)的形態(tài)，分布特征和間距特征，發(fā)現(xiàn)胞狀共生生長(zhǎng)過(guò)程中初生相胞的形態(tài)可以由流體動(dòng)力學(xué)中的Saffman-Taylo

8、r粘性指（viscous finger）方程準(zhǔn)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(lái)的間距預(yù)測(cè)模型無(wú)法預(yù)測(cè)包晶胞狀共生生長(zhǎng)這種多相生長(zhǎng)的間距變化規(guī)律，本文在單相合金凝固理論的基礎(chǔ)上建立一個(gè)預(yù)測(cè)多相合金胞/枝凝固的間距預(yù)測(cè)模型。理論預(yù)測(cè)結(jié)果與Fe-Ni合金定向凝固中得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好。此外，在單相合金胞/枝凝固理論的基礎(chǔ)上建立了一個(gè)穩(wěn)定胞狀共生生長(zhǎng)的預(yù)測(cè)模型，得到了穩(wěn)定胞狀共生生長(zhǎng)的存