【摘要】：羽毛狀晶首先在半連續(xù)鑄造的工業(yè)鋁合金鑄錠中被發(fā)現(xiàn),其形態(tài)十分特殊,整體呈扇形形貌,是由一系列取向相近的孿生枝晶組成。孿生枝晶不同于面心立方體系中的100方向常規(guī)柱狀枝晶,其主干通常沿110方向生長,主干中心沿著(111)共格孿晶面分叉,而相鄰主干二次枝晶臂生長相遇則會形成波浪形的非共格孿晶界。為此,羽毛狀晶通常就會表現(xiàn)出孿生層片與非孿生層片交替生長的組織特點。通過對鋁合金半連續(xù)鑄造工藝或者直接激冷鑄造過程中形成的羽毛狀孿生枝晶組織的表征與分析,得出了孿生枝晶形成的基本條件如下:(i)較快的冷卻速率(G·V);(ii)熔體中存在一定的對流。然而,需要指出的是,在鋁合金直接激冷鑄造條件下,凝固工藝參數(shù)往往是相互耦合的,凝固過程中的溫度梯度與生長速度無法單獨控制,這極大地限制了孿生枝晶生長行為的定量考察和分析。而另一方面,Bridgman定向凝固工藝作為一種研究合金微觀組織以及其與凝固參數(shù)關(guān)系的有效方法,可以分別單獨控制凝固過程中的溫度梯度G和生長速度V兩個重要參量。然而,由于該過程中自然對流強度很低,以前研究者們普遍認(rèn)為Bridgman定向凝固下很難獲得孿生枝晶組織。本文采用高溫度梯度Bridgman定向凝固方法,以Al-4.5 wt.%Cu為實驗對象,首次在微弱自然對流小管徑實驗條件下成功制備出高密度的孿生枝晶組織,生長速度范圍涉及100~3000μm/s。在較高溫度梯度下(~200 K/cm),孿生枝晶的生長條件被極大地拓寬了。實驗結(jié)果表明,定向凝固抽拉速度可以進一步改變孿生枝晶的組織形貌:當(dāng)生長速度達到100μm/s后,孿生枝晶組織表現(xiàn)為孤立、局域性的生長特點,即所謂的孤立生長型孿生枝晶,這顛覆了人們對羽毛狀晶中孿生枝晶通常表現(xiàn)出的密排團簇型生長形式的認(rèn)識;而當(dāng)生長速度進一步增大到1000μm/s后,凝固組織出現(xiàn)密排團簇型孿生枝晶,并在2000μm/s及更高速度下,獲得了完全由孿生枝晶組成的凝固組織。為此,我們詳細(xì)界定了定向凝固下鋁合金中孤立生長型與密排團簇型孿生枝晶出現(xiàn)的凝固參數(shù)范圍。對Bridgman定向凝固下合金中的熔體自然對流進行了定量考察,結(jié)果表明,固液界面前沿熔體的平均流速只有1.5mm/s,這個數(shù)值量級雖然遠小于先前報道中給出的孿生枝晶形成時的熔體流場流速,但足以保證孿生枝晶的形成,同時引入流體動力學(xué)理論,對定向凝固下自然對流對孿生枝晶尖端的剪切效應(yīng)進行了評估。采用可控非穩(wěn)態(tài)定向凝固躍遷減速的方法對Al-4.5 wt.%Cu合金中孿生枝晶的生長穩(wěn)定性與形態(tài)選擇問題進行了系統(tǒng)研究。實驗中將抽拉速度由3000?m/s躍減到100?m/s至0.3?m/s等速度。實驗結(jié)果表明,躍遷減速后,高速區(qū)間下形核并充分發(fā)展的孿生枝晶并沒有停止生長,而是可以在各不同低速區(qū)間下維持其較為穩(wěn)定的生長。躍遷減速之后孿生枝晶晶粒發(fā)生了一定程度的擇優(yōu)演化,與熱流方向更為一致的孿生枝晶生長得以保留,其共格孿晶面方向和枝晶主干方向與溫度梯度G方向基本平行。躍遷減速后,孿晶生長范圍可以覆蓋整個合金凝固速率區(qū)間,不同凝固條件下的孿晶生長同樣存在對應(yīng)的形態(tài)演變與選擇過程,所謂的“孿生胞晶”形態(tài)在3μm/s及以下的生長速度被發(fā)現(xiàn)。在孿生胞晶的穩(wěn)態(tài)生長過程中,共格孿晶界兩側(cè)區(qū)域會發(fā)生繞111軸,沿(111)孿晶面的連續(xù)取向旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象,在更低生長速度下(0.3μm/s),局部區(qū)域的凝固組織孿晶界出現(xiàn)了退共格化現(xiàn)象與偏離孿晶的取向調(diào)整現(xiàn)象;高(50)值低取向差角度的CSL晶界是孿晶界在發(fā)生取向旋轉(zhuǎn)偏離時優(yōu)先選擇的晶體學(xué)關(guān)系。詳細(xì)TEM與HRTEM分析發(fā)現(xiàn),高速區(qū)間(3000μm/s)下孿晶界結(jié)構(gòu)畸變較小,而低速區(qū)間(1μm/s)下孿晶界的近鄰區(qū)域出現(xiàn)了一系列的堆垛層錯結(jié)構(gòu)。更為重要的是,我們在相鄰兩孿晶界之間發(fā)現(xiàn)了連續(xù)的層錯結(jié)構(gòu),層錯將兩孿晶界直接相連,這澄清了鋁合金中孿生枝晶形成與生長是否與層錯相關(guān)的疑問。圍繞定向凝固下孿生枝晶增殖生長機制,孿生枝晶與常規(guī)柱狀枝晶間的競爭生長以及孿生枝晶之間的競爭生長等問題進行了系統(tǒng)討論�；谶B續(xù)切片與三維重構(gòu)技術(shù)對孿生枝晶沿共格孿晶面的增殖速率進行定量表征�；诟咚倌滔聦\晶層片的“穿透”生長現(xiàn)象,提出了一種不需借助于孿晶形核的側(cè)向增殖機制。對高速和低速下孿生枝晶與常規(guī)枝晶的競爭生長行為進行了系統(tǒng)研究,同時發(fā)現(xiàn),高速下孿生枝晶晶粒之間也存在競爭生長。基于實驗結(jié)果,我們提出了孿生枝晶高效生長的三個基本要素,即垂直于孿晶面的側(cè)向增殖分量R_x,平行于孿晶面的面內(nèi)增殖分量R_y,以及孿生枝晶尖端生長分量R_z。并分別給予評估討論。
【圖文】：

圖 1-1 鋁合金半連續(xù)鑄造工藝過程示意圖[3]1 Schematic (vertical cut) representation of the Semi-continuous casting of Al 為鋁合金半連續(xù)鑄造過程的示意圖，該過程也被稱為直接激冷主要由分流裝置、水冷結(jié)晶器以及引錠板等部分構(gòu)成，其中最晶器，是由內(nèi)層的紫銅和外層的鑄鐵拼合構(gòu)成的一個中空腔體

西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文，使結(jié)晶器底部被封住，然后從上方將金屬熔體經(jīng)分流裝置到結(jié)晶器壁的冷卻作用形成具有一定厚度的凝殼后，開動起以設(shè)定的速度向下移動，，并逐漸拉出結(jié)晶器，鑄坯移出水作用會迅速冷卻，與此同時，水冷結(jié)晶器上部還會不斷部被連續(xù)拉出的鑄坯達到要求的長度后，停止半連續(xù)鑄造
【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】：TG146.21

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本文編號：2671346