非均质材料控制加热过程的组织演变与熔化行为

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1、西北工业大学博士学位论文摘要熔化，具有与凝固同样重要的科学意义，但却受到不适当的忽视.近年来，随着新材料、新技术的发展，熔化研究的理论价值和应用背景日益明显。研究生产实践中常用的非均质材料的熔化过程，对半固态加工、熔体处理等新技术具有重要的指导意义。本文以半固态加工技术等为应用背景，提出了控制熔化的概念，通过DSC实验和定向熔化淬火实验研究了非均质Al合金在控制加热过程中的熔化行为和组织演变，从理论上分析了熔化前溶质扩散，熔化过程中固相体积分数与温度的依赖关系以及影响熔化组织形态的因素。提出了通过控制原始组织和熔化过程制备半固态浆料的新思路，提供了低成本、简

2、单可行地制备半固态浆料的新途径。利用DSC分析手段，研究了具有不同凝固组织的Al-5.8wt%Cu合金在不同加热条件下的熔化行为。实验结果表明，加热方式和原始组织状态是影响Al-5.8wt%Cu合金熔化行为的主要因素。熔化开始温度随加热速率的增加略有升高。共晶熔化激活能与组织状态相关，快速凝固形成的组织由于缺陷密度大，引起晶体结构的无序度增大，从而熔化时其激活能小.非平衡共晶组织在加热过程中因扩散而有不同程度的溶解，加热方式、扩散表面积、非平衡共晶的形态和分布共同影响非平衡共晶扩散溶解的程度。讨论了加热速率对半固态固相体积分数的温度敏感性的影响，结果表明，快

3、速加热有助于降低温度敏感系数，利于半固态加工的过程控制。在熔化前的加热过程中，均匀化扩散是非均质材料组织中发生的主要变化。在“静止界面”的假设下，建立了片状和球状第二相在匀速升温过程中的非等温扩散溶解模型，给出了适合无限大和有限大扩散介质的溶质分布及第二相溶解速度的表达式。利用所建模型，以Al-5.8wt%Cu合金为例，计算了熔化前的加热过程中基体中的溶质分布和第二相溶解速度，直观地反映了加热速率、第二相形态对溶质分布、第二相溶解速度及溶解程度的影响。同时，计算了不同加热速率下Al-5.8wt%Cu合金非平衡共晶熔化比例，DSC实验结果与计算结果吻合较好，进

4、一步说明所建模型的合理性。对于非均质材料，研究固溶体的熔化对理解合金材料的熔化过程以及对半固态材料加工控制具有十分重要的意义。通过分析固溶体的熔化过程，强调了溶质扩散在固溶体熔化中的重要作用。根据熔化过程中溶质守恒和热量守恒，建立固溶体熔化动力学模型.通过引入扩散参数刀给出了熔化过程中液相体积l===导弃导导导==导坠鑫分数与温度的关系，即，根据不同熔化条件分析计算了相应的扩散参数刀。DSC实验结果与同样加热方式的计算结果非常接近，证明所建模型的合理性。利用定向熔化过程液淬的方法研究了电磁搅拌制备的半固态A357合金在熔化过程中组织形态的演变，以及加热速率对

5、组织形态的影响。实验发现，加热速率越慢，固相晶粒的圆整度就越好，固相晶粒尺寸和聚集程度也越大。利用同样方法还研究了具有枝晶组织的Al-5.8wt%Cu合金在熔化和保温过程中组织形态的演变，以及加热速率和保温时间对形态演变的影响。实验结果表明，经过适当地保温，半固态下的枝晶组织能够演变成球晶。通过分析影响熔化组织形态的原因提出了获得理想半固态浆料的方式，即控制原始组织和加热参数，并从工程角度出发给出了可行的具体措施。以A357合金为例，采用细化晶粒低温浇铸配合快速加热短时保温的工艺，成功地由枝晶凝固组织制备出了固相颗粒圆整、尺寸较小、分布均匀的合格的半固态浆料

6、。为了真实地反映合金在高温状态下的组织演变，利用高温金相显微镜记录了Sn-5%wtPb合金原位熔化和凝固过程中组织的变化。熔化由晶界处开始，向晶粒内部推进;凝固过程中不同晶核长大的速度各不相同，导致最终晶粒尺寸的大小不一。首次直观地观察到Sn-5%wtPb合金组织遗传现象以及组织遗传与过热温度的联系。组织遗传的原因是熔体中存在微观不均匀结构，这种微观不均匀结构存在于一定温度范围使得遗传现象与熔体过热温度有关。关键词:非均质材料，熔化，扩散，组织演变，加热速率，半固态，组织遗传DissertationforPh.DNorthwesternPolytechnic

7、alUniversityABSTRACTThemeltingprocessisofthesameimportanceassolidification,butwasdesolatedforalongtimebecauseofitsindirectrelationwiththematerialsperformance.Recently,meltinghasgainedmoreandmoreatentioninthescientificcommunityforitstheoreticalinterestandpracticalapplicationswiththe

8、developmentoftechnologiess