快速凝固铝基中间合金的研究

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1、摘要本论文利用透射电镜、扫描电镜、X射线衍射仪和差示扫描量热仪等测试手段，以铝基中间合金为对象，主要研究：快速凝固合金中纳米晶的分布和结晶取向，以及与化合物形成倾向的相关性；快速凝固合金中树枝晶的形成与择优取向：合金成分、淬火条件等因素对快速凝固合金组织形成的影响；快速凝固合金显微组织选择图的建立。粘度和过剩体积是合金熔体重要的热物理性质，粘度是结构敏感物性，而过剩体积对熔体性质有重要影响。A1．sr合金熔体的粘度随温度的升高而减小，粘度随温度的变化符合指数衰减规律，粘度的变化反映了熔体结构的变化。根据自由体积理论，利用混合焓和过剩熵，计算了A1．

2、sr合金熔体的过剩体积和密度。结果表明，在整个成分范围内，过剩体积为负值，说明A1一sr合金熔体中异类原子间存在较强的相互作用，Al—sr合金具有较强的化合物形成倾向。过剩体积在Xsr一0．31处存在最小值，与混合焓和过剩熵的变化一致，说明熔体中存在A12sr类型的复合体，而且A1．Sr合金熔体混合焓、过剩熵和过剩体积的非对称性主要来源于原子的谐振动，而非原子构型。随温度升高，构型熵峨。。，Ex增加，而振动熵AS。。。Ex减小，表明原子构型不断被破坏丽原子谐振动加强。合金组元的原子半径差和电负性差越大，组元间的交互作用强度越大，合金的化合物形成倾向

3、就越强，形成化合物的稳定性就越高。计算显示，和Al的交互作用强度，按照Si、Sn、Sb、Ce和Sr的顺序递增。合金的化合物形成倾向对快速凝固合金中纳米晶的取向有重要影响。根据交互作用强度和相图，A1．sr、A1一ce、A1．Sb和Al—Ce．Sr合金具有较强的化合物形成倾向，而对应的快速凝固合金中，纳米晶取向相同，其电子衍射具有单晶衍射的特点，而且，有些纳米晶和旺．A1保持一定的位向关系；A1．sn和A1．si合金的化合物形成倾向较弱，对应的快速凝固合金中，纳米尺寸的sn和si取向各异，其电子衍射为典型的多晶衍射环。而且，化合物形成倾向越强，越容易

4、促进快速凝固合金中规则层片状共晶的形成。晶体的形态问题是一个十分复杂而又未彻底解决的问题。树枝晶是一种常见的晶体形态，它的形成不仅与其生长机制有关，而且还与界面的微观结构、界面前沿的温度分布及生长动力学规律等很多因素有关。本文以A1．23sr为对象，研究了快速凝固合金中树枝晶的形成和择优取向。通常情况下，Al—sr金属间化合物以平面生长方式长成板片状，其择优取向为<110>方向。快速凝固不能抑制初生A1。Sr的形成，但却对初生A14sr的生长、形态和取向产生重要影响。快速凝固条山东大学博士学位论文一快速凝固铝基中间合金的研究件下，具有高熔化熵的A1

5、4Sr金属间化合物以非平面方式(树枝状方式)生长并形成发达的树枝晶，而且在90。和45。两个方向上形成分枝，具有90。和45。分枝的初生A14Sr树枝晶，其择优取向分别为<110>和<100>方向。更高的冷却速度或更大的过冷促进具有45。分枝的初生A14Sr树枝晶形成。淬火条件决定快速凝固合金的组织和性能，其中，淬火温度和淬火速度是最重要的两个因素。熔体温度决定了熔体过热的程度，而过热对熔体的结构和性质产生重要影响，进而，影响其凝固后的固态组织。快速凝固不改变A1．8Ce和Al一20ce合金的相组成，锭状和快速凝固的A1．8Ce和Al一20ce合金

6、由a-A1和q—AIllCe3组成。快速凝固合金的组织明显不同于通常条件下凝固的锭状合金。对于亚共晶A1．8ce合金，熔体过热和冷却速度对其快速凝固组织形成无明显影响。快速凝固能抑制过共晶A1．20Ce合金中初生金属间化合物的形成，并促进a．AI枝晶的形成，进一步提高冷却速度，快速凝固组织中共晶的形成和旺．Al枝晶的发展受到抑制：提高熔体过热程度，可消除熔体中微观不均匀结构的影响。快速凝固不仅影响A190Cel0合金的组织，而且改变合金的相组成。随着淬火温度和转速的提高，合金组织经历了由晶态到非晶+晶态再到非晶态的转变。非晶基体中出现金属间化合物颗

7、粒，表明熔体中非平衡微观不均匀结构的存在。熔体过热对A190Celo合金的非晶化有重要影响，适当的熔体过热并结合高的冷却速度有利于非晶形成，对于化合物形成倾向较强的合金更是如此。对于快速凝固Al_8ce和A1．20ce合金，300℃以下长时间退火，显微硬度略有降低，合金热稳定性较高，组织不易粗化；而400℃以上退火，显微硬度在短时问内迅速降低，合金热稳定性较差，组织易粗化。因此，该类合金适合在300℃以下使用。快速凝固的一个突出特征是：由于极高的冷却速度，快速凝固可以对熔体施加相当大的动力学过冷，使熔体处于热力学亚稳状态，从而产生不同类型的非平衡效

8、应。本文以A1．Sr合金为对象，研究了这种动力学过冷所产生的非平衡凝固效应。快速凝固不改变A1．Sr合金的相组成，但对组织