PDF《液态 Ti-Al 合金的深过冷与快速枝晶生长》

液态Ti-Al合金的深过冷与快速枝晶生长 魏绍楼 黄陆军 常健 杨尚京 耿林 Substantial undercooling and rapid dendrite growth of liquid Ti-Al alloy Wei Shao-Lou Huang Lu-Jun Chang Jian Yang Shang-Jing Geng Lin 引用信息 Citation: Acta Physica Sinica, 65,

096101 (2016) DOI: 10.

7498/aps.65.096101 在线阅读View online: http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.096101 当期内容View table of contents: http://wulixb.iphy.ac.cn/CN/Y2016/V65/I9 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 稀土La对bcc-Fe中Cu扩散行为影响的第一性原理研究 First-principles study of the effect of lanthanum on the Cu diffusion mechanism in bcc-Fe 物理学报.2014, 63(24):

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186106 http://dx.doi.org/10.7498/aps.61.186106 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No.

9 (2016)

096101 液态Ti-Al合金的深过冷与快速枝晶生长? 魏绍楼1) 黄陆军1)? 常健2) 杨尚京2) 耿林1) 1)(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院, 哈尔滨 150001) 2)(西北工业大学理学院应用物理系, 西安 710072) (

2015 年12 月2日收到;

2016 年2月1日收到修改稿 ) 采用电磁悬浮和自由落体两种试验技术研究了液态 Ti-25 wt.%Al 合金的亚稳过冷能力、 晶体形核机制和 枝晶生长过程. 试验发现, 即使电磁悬浮无容器状态下仍难以消除润湿角 θ 60? 的异质晶核, 合金熔体过 冷度可达

210 K (0.11TL). β-Ti 相形核的热力学驱动力随过冷度近似以线性方式增大, 其枝晶生长速度高达 11.2 m/s, 从而在慢速冷却条件下实现了快速凝固. 理论计算表明, 随着过冷度的逐步增大, β 相枝晶生长从 溶质扩散控制转变为热扩散控制. 当过冷度超过

100 K 时, 非平衡溶质截留效应可使合金熔体发生无偏析凝 固. 然而, 单靠深过冷状态不足以抑制 β 相的后续固态相变. 对于落管中快速凝固的直径 77―1048 ?m 合金 液滴, 其冷却速率最高达 1.05 *

105 K/s, 深过冷与快速冷却的耦合作用能更有效地调控凝固组织形成过程. 关键词: 液态合金, 深过冷, 快速凝固, 枝晶生长 PACS: 61.25.Mv, 81.05.Bx, 64.70.DC, 81.10.Aj DOI: 10.7498/aps.65.096101

1 引言液体冷却和凝固过程中通常必须克服晶体形 核遇到的热力学势垒, 所以在一定程度上将普遍 发生过冷现象. 但是, 无论是水溶液还是有机液体 乃至高温合金熔体, 其内部总是存在相当数量的 异质晶核, 使液体达到的过冷度一般很小. 欲使液 体实现 深度过冷 状态, 则需要有效地消除各种 潜在的异质晶核 [1?5] . 实际上, 经典形核理论早已 预言 [6?8] , 如果液体结晶过程中发生均质形核, 那 么其过冷度可达平衡凝固温度 Tm 的五分之一, 即0.2Tm. 一种极端情况是, 在无机玻璃和非晶态合 金形成过程中, 高温熔体能够连续过冷至室温. 对 于大多数液态合金, 当过冷度超过 0.1Tm 时即可以 认为其达到了深过冷状态. 液态合金获得深过冷亚稳态的能力首先取决 于其内部固有的异质晶核以及熔化和凝固过程中 再生的异质晶核. 在传统的冶金铸造条件下, 坩埚 和铸型直接诱发异质形核, 因而合金熔体过冷能力 很差. 载人航天和空间技术的迅猛发展启发人们可 以采用无容器处理技术消除液态合金的异质晶核. 现已证明, 电磁悬浮 [9,10] 、 静电悬浮 [1,11] 、 超声悬 浮[12] 和气动悬浮 [13] 为大体积合金熔体的无容器 凝固提供了有效途径, 而自由落体技术 [14] 能够集 成急冷、 深过冷和微重力三方面超常条件从而完成 微小合金液滴的无容器快速凝固. 均质形核主要取 决于液态合金的微观原子团簇组态以及固相的晶 体结构 [15,16] , 可以通过提高合金熔体的过热度与 冷却速率加以抑制或调控 [17,18] . 枝晶生长既是自然界中普遍发生的物理过程, 也是材料合成制备的重要途径. 对于金属材料, 枝 晶组织的晶粒形态与溶质分配直接决定着其强度、 塑性和耐蚀性能. 深过冷是枝晶快速生长的驱动 力, 因此半个多世纪以来凝固科学技术界一直致力 于揭示 过冷度 -枝晶生长 -组织形态 之间的相关 规律. Lipton, Kurz 和Trivedi [19] 求解了旋转抛物 型枝晶顶端的温度场和浓度场, 并引入固 -液界面 ? 国家自然科学基金 (批准号: 51471063, 51271064, 51401167) 资助的课题. ? 通信作者. E-mail: [email protected] ?