深过冷液态Fe_Co基合金凝固动力学的高速摄影和相场模拟研究

《深过冷液态Fe_Co基合金凝固动力学的高速摄影和相场模拟研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、学校代码10699分类号TG111.4密级学号2012100618题目深过冷液态Fe/Co基合金凝固动力学的高速摄影和相场模拟研究作者吴宇昊学科、专业材料物理与化学指导教师魏炳波教授申请学位日期2017年6月西北工业大学博士学位论文(学位研究生)题目：深过冷液态Fe/Co基合金凝固动力学的高速摄影和相场模拟研究作者：吴宇昊学科专业：材料物理与化学指导教师：魏炳波教授西北工业大学应用物理系空间材料科学与技术重点实验室二零一七年六月SolidificationKineticsofUndercooledFe/Co-basedLiquidAlloysInvestigatedbyHigh

2、-speedCinematographyandPhase-fieldSimulationByWuYuhaoUndertheSupervisionofProfessorWeiBingboADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofMaterialsPhysicsandChemistryLaboratoryofSpaceMaterialsandTechnologyDepartmentofAppl

3、iedPhysics,NorthwesternPolytechnicalUniversityXi’an,710072,P.R.ChinaJune2017摘要摘要深过冷液态合金的快速凝固动力学研究有助于揭示凝固过程与组织形成的内在联系。它不仅可以完善过冷液态合金的凝固理论，而且能给新型合金材料的设计提供科学依据。基于电磁悬浮、静电悬浮、自由落体和熔体急冷四种超常凝固实验技术，结合高速摄影分析技术和三维相场计算方法，系统研究了过冷液态Fe基和Co基合金的凝固动力学，主要取得了以下研究结果：1、无容器条件下液态Fe-Ti包晶合金的深过冷和快速凝固液态亚包晶Fe59Ti41合金在无容器

4、条件下获得的最大过冷度接近0.2TL。当过冷度增大时，初生相枝晶生长速度以双指数函数方式增大，包晶反应时间线性减小。同时，初生相发生了“粗大枝晶细化枝晶蠕虫状枝晶”的形貌转变，包晶相的体积分数大幅减少。快速凝固扩展了组成相的固溶度。当过冷度增加到某个临界值时，直接形核的初生相和包晶相协同生长，其生长速度随过冷度线性降低，并形成类共晶组织。静电悬浮和电磁悬浮实验中液态过包晶FeTi合金获得的最大过冷度分别是211和226K。初生相枝晶生长速度随过冷度以幂函数方式增大。电磁搅拌和过冷度的增加均会促使初生相失去小面相生长特征。在自由落体实验中，当合金液滴尺寸减小时，凝固组织依次呈

5、现小平面和非小平面枝晶以及等轴晶特征。悬浮状态下液态Fe2Ti合金的过冷度高达315K。Fe2Ti金属间化合物发生有序-无序转变的临界过冷度约为299K。随着过冷度的增大，凝固组织由粗大枝晶转变为细化等轴晶。自由落体条件下Fe2Ti合金液滴的凝固组织以等轴晶为主要特征，等轴晶粒在液滴尺寸减小时逐渐细化。2、深过冷液态Fe-Ti共晶合金中枝晶与共晶生长机理电磁悬浮条件下亚共晶Fe89Ti11、共晶Fe84Ti16和过共晶Fe79Ti21合金取得的过冷度分别高达245、202和300K，这些合金的初生相枝晶生长速度与过冷度之间均具有幂函数关系。亚/过共晶合金的凝固组织始终以初生相枝

6、晶为主要形貌特征。当过冷度超过11K时，共晶合金的组织从层片共晶转变为初生相枝晶和枝晶间共晶构成的复合组织。在电磁悬浮实验中，亚共晶Ti75Fe25、共晶Ti70.5Fe29.5和过共晶Ti58Fe42合金获得的最大过冷度分别是366、232和275K。对于Ti75Fe25合金，初生-Ti枝晶生长由“溶质扩散控制热扩散控制”转变的临界过冷度为136K，深过冷条件下共晶和共析反应在一定程度上被抑制。对于Ti70.5Fe29.5合金，当过冷度增大到45K以上时，规则共晶演变为以初生FeTi相为特征的过共晶组织，初生相发生“枝晶颗粒状”的形貌转变，枝晶间共晶组织明显减少。对于T

7、i58Fe42合金，在过冷度增大时，初生相枝晶生长速度以幂函数形式增大，粗大枝晶被蠕虫状枝晶逐渐取代，同时伴随着枝晶间共晶的减少。在自由落体实验中，随着合金液滴尺寸的减小，Ti75Fe25合金中初生相经历了“枝晶等轴晶”的形貌转变，Ti70.5Fe29.5合金的规则共晶组织演变为初生相枝晶、规则和I西北工业大学博士学位论文非规则共晶构成的复合组织，Ti58Fe42合金中亚稳单相组织将被保留下来。3、三元Fe-Cu/Sn-Si/Ge难混溶合金的液相分离动力学研究借助3D相场模拟技术和自由落体