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共晶系合金的深过冷与块体非晶合金晶化研究

蒲健

  快速凝固技术不仅可以显著改善已有材料的微观组织结构和提高其性能,还可以研制在常规条件下难以制备、具有优异性能的新型材料。由于深过冷技术可有效地实现三维大体积液态金属的快速凝固,并可在慢速冷却条件下,深入研究快速凝固的动力学本质,它已经成为快速凝固理论研究的前沿。本文运用玻璃熔覆法对简单共晶系(二元和三元)合金的过冷行为进行了研究。 二元共晶合金生长涉及两个固相从一个液相中竞争形核和协同生长,这个过程受到过冷度、环境气氛和异质核心的影响。本文首先采用 Ni81P19共晶合金为模型,研究了随着过冷度的增加,其凝固组织发生的一系列变化。在小过冷度下,共晶合金中的两相 α-Ni 与 Ni3P 协调生长成规则的棒状共晶。在中等过冷度下,凝固组织从规则棒状共晶向不规则的粒状共晶组织转化,随着过冷度的增大,粒状共晶团在凝固组织中所占的体积分数越来越大。我们提出枝晶状共晶的熔断模型来解释粒状共晶组织的形成。在深过冷度下,凝固组织又演化成显微结构细小的胞状共晶团组织,通过固/液界面稳定性理论可以很好的解释这类组织转变。此外,本文还通过对 Ni-P 合金中的两相进行形核分析,从理论上描述了该合金系共晶共生区的形成规律。并通过对不同成分的 Ni-P 合金的凝固形貌随过冷度变化进行考察,不但描述了 Ni-P 合金共晶共生区的形状和位置,还分别研究了初生相 α-Ni(亚共晶相)和 Ni3P(过共晶相)的凝固组织形貌随过冷度增加的演化规律。 在对金属的晶粒细化研究中发现,过冷熔体会发生亚稳液相分离现象,即从一个成份均匀的液相分离为两个成分不同的液相。相分离的机制有二:形核长大和调幅分解,对于后者,其显微组织可以用一种网格状结构来表征,相分离的形貌可以通过快速冷却的方法“冻结”下来。Cahn 预测过冷熔体液相分离的波长 λ 在一个临界过冷度下将随过冷度的增大而减小,这在过冷 Pd82Si18 合金熔体的实验中可以得到证实。当过冷度超过一个临界值,液相分离的网格状组织由于表面张力过大,将会破碎成一些纳米级的液滴。随着过冷度增大,液相分离的临界波长减小,破碎液滴的尺寸也变的更小。最终制备出最大直径为φ2mm 的块体纳米 Pd82Si18合金材料,其纳米相尺寸为30~50nm,且分布均匀。I本文采用玻璃熔覆法净化 Pd82Si18 合金熔体,以减少熔体内部的异质核心。通过控制其形核过程,从而在较低的冷却速率下使熔体能够过冷到 Tg(玻璃转变温度)以下,从而得到大块非晶合金。利用经典的形核和晶体生长理论,计算了 Pd82Si18 合金的时间-温度-转变曲线(即 TTT 图),依此确定在均匀形核条件下,形成 Pd82Si18非晶合金的临界冷却速率,并分析了影响该合金临界冷却速率的相关因素。理论计算表明,形成非晶合金的临界冷却速率与异质核心的存在有密切联系,通过净化合金熔体的方法可以大大降低合金形成非晶的临界冷却速率。进而,研究了添加 Cu 元素对Pd-Si 基合金凝固组织演化和非晶形成能力的影响。非晶合金的结晶过程是一种固态的亚稳非晶向平衡晶态的相转变过程,它与样品的处理工艺与热历史有重要的联系。本文通过控制块体 Pd82Si18 非晶合金的冷却方式和其后的晶化过程,得到较均匀的纳米晶/非晶复合材料,即在非晶基体中均匀分布着尺寸为 3~5nm 的晶粒。同时,利用相变动力学方法研究了块体 Pd77.5Cu6Si16.5非晶合金中的晶化行为,用 Kissinger 方程计算了其晶化表观激活能,并分析制备过程中一些因素在块体非晶样品晶化过程中所起的作用,为块体非晶的研究与应用提供可靠的依据。此外,利用 Pringogine 提出的耗散结构理论分析了在远离平衡态,深过冷熔体所具有的非线性、非平衡的热力学过程。从自组织的角度描述了过冷熔体从混沌无序的初态到稳定有序的结构自组织的演化过程和规律,为研究非平衡态材料提供了一种新的思路。……   
[关键词]:过冷熔体;深过冷;晶化;临界冷却速率;非晶复合材料;凝固组织;共晶;晶体
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:华中科技大学2004年