【摘要】：共晶合金是一類重要的工業(yè)材料。共晶合金的性能在很大程度上取決于共晶結(jié)構(gòu)的規(guī)則和非規(guī)則特征尺度及共晶相的取向選擇,這使得共晶結(jié)構(gòu)的規(guī)則性成為共晶理論研究的核心內(nèi)容。在以往的研究中已發(fā)現(xiàn),在快速非平衡凝固條件下,即使是規(guī)則共晶體系也會發(fā)生由規(guī)則層片或棒狀生長向非規(guī)則反常共晶生長的轉(zhuǎn)變,但是,目前研究者對反常共晶形成過程中共晶兩相的形核及生長競爭機制的認(rèn)識仍存在較大分歧。為了明確反常共晶的形成機制及其生長行為,本文選用目前共晶研究中應(yīng)用最為廣泛的Ni-Sn合金為研究對象,通過深過冷、激光熔凝及激光熔覆三種快速凝固手段,著重對比考察了凝固過程中共晶兩相的形核競爭及外延生長競爭行為,力圖明晰不同類型快速凝固過程中的Ni-Sn共晶組織演化行為及其相選擇機制,厘清非平衡凝固條件下Ni-Sn反常共晶的形成機理。獲得的主要研究成果如下:(1)自由凝固過程中兩相形核競爭下的組織演化行為:在不同過冷度下,Ni-28wt.%Sn亞共晶合金深過冷凝固組織始終呈現(xiàn)為α-Ni枝晶+層片共晶(α-Ni+Ni_3Sn)生長,隨過冷度增加,α-Ni枝晶逐漸出現(xiàn)熟化的趨勢。但是,對于Ni-30wt.%Sn亞共晶合金,隨著過冷度增加,當(dāng)過冷度達到50K時,合金凝固組織中即開始出現(xiàn)反常共晶,到過冷度達到130K時,則轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆姆闯９簿ЫM織,當(dāng)過冷度繼續(xù)增大到180K時,反常共晶出現(xiàn)了明顯細(xì)化。對于Ni-33wt.%Sn過共晶合金,其凝固組織在過冷度小于70K時呈現(xiàn)為海藻形態(tài)的共晶枝晶的生長,當(dāng)過冷度達到130K時,組織轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆姆闯９簿А?2)外延凝固過程中共晶兩相生長競爭下的組織演化行為:經(jīng)激光快速熔凝外延生長的Ni-Sn合金組織較鑄態(tài)Ni-Sn合金基材明顯細(xì)化,隨著激光掃描速率的增加,Ni-Sn近共晶合金初生相枝晶一次間距、共晶層片間距逐漸減小,即使當(dāng)掃描速率遠(yuǎn)超過TMK模型預(yù)測的Ni-Sn共晶解耦生長速率140mm/s,以及平界面絕對穩(wěn)定性速度455mm/s,達到1000mm/s(生長速率約為500mm/s),仍未獲得反常共晶組織,僅是共晶層片間距顯著細(xì)化到約0.1μm。這表明了在外延凝固生長條件下,共晶快速凝固無法得到反常共晶組織。(3)同時存在激冷形核和外延生長競爭下的共晶凝固組織演化行為:激光掃描速率為0.1mm/s時,Ni-Sn共晶合金發(fā)生完全熔透現(xiàn)象,并在Ni-33wt.%Sn過共晶及Ni-30wt.%Sn亞共晶合金熔凝試樣底部出現(xiàn)了反常共晶組織。同時,隨著底部基板激冷導(dǎo)熱能力的提升,反常共晶的生長區(qū)域擴大。這主要是由于,試樣熔透時,底部基板對熔池底部所產(chǎn)生的共晶兩相激冷自由形核及快速生長導(dǎo)致了底部反常共晶的產(chǎn)生,隨后自熔池底部到頂部,在高的正溫度梯度下,由底部已形成的共晶兩相進一步進行外延凝固生長,使得只在熔池底部的小區(qū)域內(nèi)形成了反常共晶組織。這進一步表明,共晶凝固過程中,兩相的自由形核應(yīng)是反常共晶形成的必要條件。(4)存在柱狀晶/等軸晶轉(zhuǎn)變(CET)下的共晶凝固組織的演化行為:在Ni-32.5wt.%Sn共晶合金激光熔覆沉積過程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)熔池頂部發(fā)生CET時,熔覆沉積層頂部都會出現(xiàn)非規(guī)則反常共晶組織。進一步通過引入外加顆粒誘發(fā)形核,發(fā)現(xiàn)采用添加了1%SiC顆粒的Ni-32.5wt.%Sn合金粉末進行激光熔覆沉積時,在熔覆沉積層頂部同樣存在有圍繞SiC顆粒形成的反常共晶團。該現(xiàn)象進一步證實,共晶凝固過程中,兩相的自由形核及其后的快速生長是反常共晶形成的充分必要條件。(5)共晶凝固反常共晶的組織特征和形成機制:對不同快速凝固條件下獲得的反常共晶組織的EBSD分析結(jié)果顯示,Ni_3Sn相取向比較一致,在空間上形成連續(xù)的結(jié)構(gòu),而α-Ni相的取向則分為一致和分散兩種:其中,深過冷自由凝固條件下形成的大尺寸反常共晶屬于前者,深過冷自由凝固條件下形成的小尺寸反常共晶,及在激光熔凝及激光熔覆條件下形成的反常共晶屬于后者。通過對比不同凝固條件下的反常共晶組織及取向特征,表明:α-Ni相取向較一致的反常共晶,其來源于α-Ni相枝晶熔斷;α-Ni相取向分散的反常共晶,則來源于共晶兩相的解耦生長。
【圖文】：

西北工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文固速率與相應(yīng)微觀組織之間的關(guān)系，對于深入揭示快速凝固行為，以及驗證、完善現(xiàn)有的快速凝固理論都具有重要意義。一些常用的快速凝固方法，不論是甩帶，霧化沉積，還是深過冷，它們所能確定的參數(shù)通常為冷卻速率，通�？杀硎緸槟趟俾屎蜏囟忍荻鹊某朔e，這也意味著不能把溫度梯度和凝固速率分開考慮，故無法定量地分別確定凝固速率和溫度梯度對微觀組織的影響。激光快速熔凝技術(shù)是使用高能激光束快速掃描試樣表面，熔化其表面層并在極快的冷卻速率下快速凝固，具有以下特點 ：(1) 固相基材為熔池液相界面生長提供襯底，使得界面生長方式通常為外延生長，無形核過程；(2) 能準(zhǔn)確地建立局部凝固速率與相應(yīng)微觀組織的聯(lián)系。局部凝固速率與激光掃描速率的關(guān)系如圖 1-1 所示，cos sbV V，sV 為局部凝固速率，bV 為激光束掃描速率， 為 與 的夾角。

西北工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文枝晶熔斷而形成的反常共晶區(qū)，而在 Ni-29.3wt.%Sn 亞共晶合金懸浮淬火組織中沒有發(fā)現(xiàn)反常共晶組織。并且，在兩種合金成分的懸浮淬火實驗過程中，凝固組織中出現(xiàn)了平衡態(tài)組織形態(tài)，即說明采用懸浮淬火的急冷速度還不夠快。因此，他又選取了更高冷速的甩帶淬火（冷卻速率大于 105K/s）。發(fā)現(xiàn) Ni-29.3wt.%Sn 亞共晶合金甩帶淬火試樣的最外層為 α-Ni 枝晶+規(guī)則共晶組織，中間為細(xì)小的反常共晶組織，，內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮姆闯９簿ЫM織。他們認(rèn)為，這是由于淬火時不同部位冷卻速率不同，導(dǎo)致凝固組織存在差異。通過研究激光立體成形過程中 Ti-Ni 基梯度材料的強制性凝固外延生長，林鑫等人[77-79]發(fā)現(xiàn)，對于近共晶成分的 Ti-Ni 合金，（ -Ti+Ti2Ni）反常共晶組織也能夠在強
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG146.15

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本文編號：2668404