定向凝固包晶合金相选择理论及其微观组织模拟.pdf

Classified Index: TG27 U.D.C.: 621.74 Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering PHASE SELECTION THEORY AND MICROSTRUCTURE SIMULATION OF DIRECTIONALLY SOLIDIFIED PERITECTIC ALLOYS Candidate: Li Xinzhong Supervisor: Prof. Guo Jingjie Associate Supervisor: Prof. Su Yanqing Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering Speciality: Materials Processing Engineering Affiliation: School of Materials Science and Engineering Data of Defence: May, 2006 Degree-Conferring-Institution : Harbin Institute of Technology 摘要 摘要 本文选择工程上应用广泛的包晶合金作为研究对象，研究其在定向凝固 条件下，先后发生液固和包晶相变过程的相和微观组织的选择，并采用相场 法模拟合金在这两个相变过程的微观组织演化。对理论计算与模拟结果进行 了实验验证。 对于定向凝固的包晶合金，人们常提出以成分和温度梯与生长速率比值 作为函数的相和微观组织选择理论模型，来尽可能预测合金在定向生长实验 中观察到的异彩纷呈的凝固组织。对于大多数低速生长的合金，需要经历很 长一段凝固距离才能达到稳态生长，初始过渡区内的相和组织选择对后续凝 固有十分重要的影响。针对当前相选择理论模型建立在相的近稳态生长情 况，利用充分形核假设、成分过冷准则以及相稳定生长的最高界面温度判 据，建立了纯扩散条件下从初始过渡到接近稳态整个区间的相和微观组织选 择理论模型。利用该模型分别计算了 Ti-(40-50)Al(at.%)合金达到稳态生长时 和 Fe-Ni 合金在初始过渡区内及达到稳态生长时的相选择图，均与实验结果 吻合较好。 借助上述相选择理论模型确定的定向凝固包晶合金相和微观组织、初始 合金成分和生长条件之间的对应关系，采用相场法模拟合金在液固和包晶相 变过程组织形态的详细演化。 在液固相变过程，针对当前液固相变相场模型只适合对理想溶液或稀溶 液合金的微观组织演化进行模拟，采用计算相图热力学模型构造凝固体系 自 由能的方法，建立了适合对各种溶液模型合金液固相变微观组织演化进行模 拟的“广义”相场模型，拓宽了相场法的应用范围；同时，提出“邻界面点 相场大梯度计算域控制法”，能严格控制计算域，显著提高相场计算效率且 误差极小。采用上述模型及计算方法，以具有亚规则溶液模型的 Ti-(40- 50)Al(at.%)合金为例，模拟其在发生液固相变 L →β过程，单个晶粒的等温 和非等温自由枝晶生长，获得了凝固微观组织的动态演化过程，以及与实验 观察相吻合的现象，如枝晶臂的粗化和根部颈缩，以及枝晶臂间的碰撞、融 合和竞争生长等。对不同生长条件下枝晶尖端溶质分布进行了定量分析，表 明，模拟结果与经典凝固理论相符合，说明该“广义”相场模型的准确性。 模拟了 Ti-45Al(at.%)合金在快速 Bridgman 定向凝固条件下，发生液固 相变过程的界面形态和微观结构的动态演化。表明，当生长速度低于维持高 速平界面的绝对稳定速度时，随着生长速度的增大，存在胞状树枝晶向细胞 - I