PDF《微重力下 Fe-Al-Nb 合金液滴的快速凝固机理及其对显微硬度...》

而在非平衡 凝固条件下, 往往是多个固相从同一液相中竞争形 核及长大, 协同生长被抑制, 且过冷程度不同, 形成 的凝固组织也会发生变化 [18?21] . 因此, 对不同过 冷度条件下的共晶凝固组织进行实验研究和理论 分析, 将有利于快速凝固理论的完善和具有实际应 用价值的新型材料的研发. Fe, Al 和Nb 元素组成的三元合金体系具有高 熔点的特点, Nb 的固溶和相关析出相提高了合金 在高温环境中的强度, 增强了其耐腐蚀性能等, 被 认为是潜在的高温结构材料 [22?25] , 可应用于航 空、燃气轮机等需要在高温下服役的零部件. 因此, Fe-Al-Nb三元合金复杂的微观组织特征以及力 学性能受到了人们广泛的关注 [26?31] . Fe-25at.%- Al-2at.%Nb合金经高温固溶和

1173 K 高温退火两 种热处理后进行强度测试, 发现固溶强化的合金 在室温下表现出较高的强度, 在473―773 K 时由 于温度升高引起了位错滑移而导致强度相对较低, ? 国家自然科学基金 (批准号: 51327901, U1660108, 51671161)、 航空科学基金 (批准号:2014ZF53069) 和陕西省科学技术研究发展 计划工业科技攻关项目 (批准号: 2016GY-247) 资助的课题. ? 通信作者. E-mail: [email protected] ?

2017 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 106401-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 66, No.

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106401 在873―1073 K 时由于析出了细小的 (αFe) 相和 Nb(Fe, Al)2 相使得强度升高, 当温度为

1173 K 时 由于两种热处理的合金均生成粗大的 Nb(Fe, Al)2 颗粒则强度相同 [27] . 采用定向凝固技术制备了 Fe- 26at.%Al-9.5at.%Nb共晶合金, 凝固组织由纤维状 Fe3Al + Nb(Fe, Al)2 共晶组成, 且在923 K时的蠕 变性能得到提高 [30] . 然而, 关于 Fe-Al-Nb 三元合 金的快速凝固研究还非常有限, 在特殊凝固条件 下, 合金的快速晶体生长及凝固组织形貌的演变规 律还不清楚, 因而有必要对 Fe-Al-Nb 合金系在快 速凝固方面做出大量的实验与相关理论分析, 从而 完善该合金体系在快速凝固方面的凝固理论. 本文 采用落管无容器处理技术实现了 Fe67.5Al22.8Nb9.7 三元合金的快速凝固, 研究了不同直径液滴凝固组 织的演变规律及相关力学性能, 探索三元合金的快 速共晶生长机制及其对应用性能的影响.

2 实验方法 重量约为

2 g 的Fe67.5Al22.8Nb9.7 母合金样品 由高纯99.999% Fe, 99.999% Al和99.99% Nb采用 超高真空电弧炉在 Ar 气氛围中熔炼而成. 实验开 始时将母合金样品装入底部开有 Φ0.5 mm 喷嘴的 Φ16 mm *

150 mm 石英试管中, 然后将试管安放 于落管顶部加热线圈的中心处, 将落管腔体抽真 空至10?5 Pa后反充高纯 He气和Ar气的混合气体 (体积比为

2 : 1) 至0.1 MPa作为保护气体. 采用高 频感应熔炼装置将样品加热至熔点以上

200 K 后 保温数分钟使熔体混合均匀. 随后向试管内充入高 纯He 气, 使得合金熔体在 He 气的压力下从试管底 喷嘴流出分散成大量不同直径的合金液滴并在落 管腔体自由下落过程中凝固, 最后落入底部的收集 器中. 实验结束后, 将合金粒子按直径分类后镶嵌和 抛光. 采用 Phenom Pro 型台式扫描电子显微镜对 样品凝固组织特征进行分析, 采用泰明 HXD-2000 TMC/LCD型显微硬度计以

200 g 的负载及加载时 间10 s 获得了不同大小的压痕, 且每个实验数据均 由15 个以上的有效压痕统计得出, 测定了不同直 径液滴凝固样品的维氏显微硬度.