定向凝固sn_ni包晶合金糊状区熔化与凝固行为.doc

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1、ClassifiedIndex:TG111.4;113.12U.D.C:67.80.bf,68.35.bdDissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringMELTINGANDSOLIDIFICATIONBEHAVIOURINTHEMUSHYZONEOFDIRECTIONALLYSOLIDIFIEDSn-NiPERITECTICALLOYCandidate：PengpengSupervisor：AcademicianFuHengzhiAssociatedSupervisor：Prof.GuoJingjieAssistanceSupervisor：Asso

2、ciateProf.LiXinzhongAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MaterialsProcessingEngineeringAffiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence：2013.6DegreeConferringInstitution：HarbinInstituteofTechnology摘要-I-摘要本文以初生相Ni3Sn2和包晶相Ni3Sn4均为具有小固溶度有序金属间化合物的Sn-Ni包晶合金(L+Ni3Sn2®Ni3Sn

3、4)为研究对象，采用Bridgman法定向凝固工艺研究其在高温度梯度下静态糊状区与动态糊状区内的熔化与凝固行为及其对凝固组织的影响规律。在定向凝固Sn-36at.%Ni包晶合金的静置热稳定处理过程中，在未熔固相区与完全液相区间，形成对应一定凝固区间的固液共存的静态糊状区。此静态糊状区可分为初生相静态糊状区与包晶相静态糊状区，前者与完全液相区之间界面为定向凝固初始固/液界面。随静置热稳定处理时间的延长，糊状区内液相体积分数逐渐减小，固相沿温度梯度方向排列；同时，初始固/液界面下移至低温位置且逐渐平直。而包晶反应温度TP处的初生相静态糊状区/包晶相静态糊状区界面出现“平滑”→“曲折”→“平滑”的转

4、变现象。这是因为温度梯度的存在会引起温度梯度区域熔化效应(TGZM：Temperaturegradientzonemelting)，引起糊状区内不同位置发生熔化或凝固现象。基于质量守恒定理，计算了静置热稳定处理过程中Sn-36at.%Ni包晶合金初始固/液界面前沿完全液相区中的溶质浓度。与其他合金系的对比表明：Sn-Ni包晶合金具有较大的凝固区间及初生相/包晶相与液相溶质浓度差，所以完全液相区的溶质浓度与合金初始浓度差异较大。相比将包晶两相设为完全无固溶度的金属间化合物，当考虑初生相与包晶相的固溶度时，完全液相区的溶质浓度与合金初始浓度差异较小，更符合实际情况。此外，静置热稳定处理过程中，在固

5、/液界面前沿液相中发现Ni原子的贫乏区，由于溶质对流的影响，随着静置热稳定处理时间的增加，此贫乏区逐渐消失，固/液界面前沿液相溶质分布更加均匀。研究了不同静置热稳定处理时间对定向凝固Sn-36at.%Ni包晶合金后续定向凝固组织的影响。在常用的静置热稳定处理时间范围内，Sn-36at.%Ni包晶合金，定向凝固初始固/液界面均为非平界面，定向凝固包晶合金中各相的凝固顺序及生长机制也未发生改变。生长速度为v=1μm/s时，Ni/Sn原子的贫化/富集程度越大，越容易长成枝晶形态，即生长过程的有序程度增大。而v=10μm/s时，Ni/Sn原子的贫化/富集程度越大，越容易长成发达枝晶形态，即生长过程的无

6、序程度增大。在定向凝固Sn-36at.%Ni包晶合金动态糊状区凝固组织中观察到了明显的哈尔滨工业大学工学博士学位论文-II-二次枝晶粗化现象，同时发现包晶反应明显抑制了粗化过程。为了解释此现象，提出了耦合包晶反应与Gibbs-Thomson效应的二次枝晶粗化模型，并进行了合理解释。利用二次枝晶间距(λ2)与枝晶比表面积(SV)表征了动态糊状区内的粗化过程，而且通过上述表征参数也可确定实际凝固过程中的包晶反应程度。通过模型计算结果与实验结果比较可知：比表面积SV较之λ2更适合作为表征参数。在定向凝固Sn-36at.%Ni包晶合金动态糊状区内也观察到由温度梯度引起的TGZM效应导致的二次枝晶臂上的

7、熔化/凝固现象；而且发现当存在三次枝晶臂时，在两二次枝晶臂间液相上方二次臂上发现一“锯齿状”形貌。提出了描述三次枝晶臂存在时二次枝晶臂上的熔化/凝固模型，可很好的表征三次枝晶臂对二次枝晶臂迁移的影响。同时发现包晶反应越完全，这种“锯齿状”形貌越明显。针对定向凝固包晶合金动态糊状区内的“分离式包晶反应”现象，提出了耦合包晶反应、Gibbs-Thomson效应及TGZM效应的分离式包晶反应动力学模型。