fe-ni包晶合金定向凝固过程中的组织演化规律

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1、国内图书分类号：TG111.4;113.12国际图书分类号：531.2,933.1工学博士学位论文Fe-Ni包晶合金定向凝固过程中的组织演化规律博士研究生：骆良顺导师：郭景杰教授副导师：苏彦庆教授申请学位：工学博士学科、专业:材料加工工程所在单位:材料科学与工程学院答辩日期:2008年5月授予学位单位:哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG111.4;113.12U.D.C.:531.2,933.1DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringMICROSTRUCTUREEVOLUTIONOFFe-NiPERITECTICALLOYS

2、DURINGDIRECTIONALSOLIDIFICATIONCandidate:LuoLiangshunSupervisor:Prof.GuoJingjieAssociateSupervisor:Prof.SuYanqingAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpeciality:MaterialsProcessingEngineeringAffiliation:SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDataofDefence:May,2008Degree-Conferring-Institutio

3、n:HarbinInstituteofTechnology摘要摘要包晶合金是一类应用非常广泛的工程合金，随着具有重要工程应用前景的高温金属间化合物结构材料Ti-Al、Fe-Al、Ni-Al合金，稀土永磁材料Nd-Fe-B和Co-Sm-Al合金，以及高温氧化物超导材料Y/Nd-Ba-Cu-O等新型包晶系材料的开发，包晶合金的凝固过程近年来受到人们的极大关注。一方面，凝固过程是制备包晶系材料一个很难避免的工艺过程，对材料的最终组织和性能必然产生重要影响；另一方面，近年来在包晶系材料凝固过程中发现了大量新颖的组织。这些组织的出现极大地丰富了现有的包晶凝固理论，同时也反映出人们目前对包晶凝固过程认

4、识的局限性。因此，工程应用和凝固理论的研究都迫切需要人们对包晶凝固过程进行深入的研究。本文选择包晶系模型合金Fe-Ni合金，通过系统的定向凝固实验研究了Fe-Ni包晶合金定向凝固过程中的组织演化规律。发现在Fe-Ni合金定向凝固过程中，包晶反应在很大的凝固速度范围内都是存在的，并且对多种组织的形成具有重要的影响。此外，本文重点考察了包晶合金定向凝固过程中的两相共生生长——等温共生生长和胞状共生生长的演化过程。最后，根据低速段和高速段Fe-Ni合金的定向凝固组织演化，本文讨论了包晶合金定向凝固过程中相和组织选择理论及其适用性。对Fe-4.0Ni、Fe-4.3Ni和Fe-4.5Ni三种合金分别

5、在6K/mm、8K/mm和12K/mm三种温度梯度下进行了系统的低速（V≤20μm/s）定向凝固实验，得到了丰富的组织：离散带状组织、混合带状组织、岛状组织、等温共生生长组织、胞状非等温共生生长组织、振荡树状（层状）组织、枝晶岛状组织及传统的包晶枝晶组织。证明了包晶合金定向凝固过程中是可以形成类似共晶系中的等温（平界面）共生生长。然而与共晶共生生长不同，包晶等温共生生长需要严格的形成条件、很长的初始过渡过程，并且形态稳定性很差，所以包晶共生生长很难生长出规则排列的两相复合组织。而当G/V逐渐降低，包晶合金定向凝固过程中胞状初生相δ与近平界面包晶相γ之间形成的弱耦合胞状非等温共生生长却可以生

6、长出非常规则的两相复合组织，并且这种生长方式具有很好的形态稳定性，很短的初始过渡区，很容易达到稳定状态，从而可能取代等温共生生长成为制备包晶系规则排列原位自生复合材料的新的生长方式。在包晶两相的生长过程中，在liquid/δ/γ三相交接点附近一直存在明显-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文的包晶反应。在包晶反应过程中，初生相δ的部分重溶使liquid/δ界面在三相交接点附近出现局部下凹，从而使三相交接区域严重偏离共晶共生生长过程中正常的三相交接区形态；另一方面包晶反应对局部区域包晶两相的生长动力学具有重要的影响。因此，包晶反应在包晶合金定向凝固过程中的两相组织演化将产生重要影响。本文详细讨

7、论了包晶反应在岛状组织、岛状枝晶组织、竞争振荡组织的形成过程中的重要作用。此外，本文发现包晶反应对三相交接局部区域两相生长动力学的影响是引起包晶等温共生生长和胞状共生生长形态不稳定的主要原因。为更好地理解包晶等温共生生长，在Boettinger-Jackson-Hunt平衡包晶共生生长模型的基础上建立了考虑包晶反应的包晶共生生长模型，发现包晶反应完成完全平衡状态的60％～80％时理论预测与Fe-Ni合金共生生长的实验结果