熔体过热处理对高熵合金凝固组织的影响0515.docx

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熔体过热处理对高熵合金凝固组织的影响0515

学校代码：

11517

学号：

HENANINSTITUTEOFENGINEERING

毕业论文

题目熔体过热处理对高熵合金凝固组织的影响

学生姓名

专业班级

学号

院（部）

指导教师（职称）

完成时间

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论文作者签名：

年月日

河南工程学院毕业设计（论文）原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文，是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。

对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。

论文作者签名：

年月日

河南工程学院

毕业论文任务书

题目熔体过热处理对高熵合金凝固组织的影响

专业机械设计制造及其自动化学号姓名

主要内容

本文在大量试验的基础上建立了Al-Cu合金熔体结构物理模型,研究了熔体过热处理对Al-Cu合金熔体结构的影响；在温度梯度、抽拉速率一定的条件下,研究了熔体过热处理（熔体过热温度Ts、熔体过热时间ts）对Al-4.7%Cu合金定向凝固组织形态及一次枝晶间距的影响；

基本要求

完成过热处理对Al-Cu、QA19-4合金溶体结构及其凝固组织的影响的实验。

主要内容包括：

1.查阅国内外相关文献不少于15篇（其中外文文献不少于2篇，列入参考文献中），根据查阅的文献资料情况，写出文献综述（不少于3000字）；翻译外文文献-篇（译文字数不少于3000字）。

文献综述与翻译单独装订成册。

2.确定实验方案。

3.按规定完成实验。

4.按要求撰写毕业论文。

主要参考文献

1.推荐参考书：

[1]张蓉.熔体过热处理对Al-Si过共晶合金凝固组织及耐磨性的影响[D].西北工业大学,2000.

[2]司乃潮,孙克庆,吴强.熔体过热处理对Al-4.7%Cu合金定向凝固组织的影响[J].中国有色金属学报,2007,04:

547-553.

[3]坚增运,王有超,常芳娥,魏超锋.熔体过热处理对过共晶Al-Si合金凝固组织的影响[J].西安工业大学学报,2007,04:

348-351.

[4]彭建,佘欢,王中国,潘复生.熔体过热处理对AZ31镁合金凝固组织的影响[J].中国有色金属学报,2011,07:

1497-1503.

[5]孙克庆.熔体过热处理对Al-Cu合金熔体结构和定向凝固组织、性能的影响[D].江苏大学,2005.

[6]黄玉多.熔体过热处理对AZ91镁合金凝固组织和力学性能的影响[D].辽宁工业大学,2013.

[7]孙钰,介万奇,刘永勤,郑永健,高志明.熔体过热处理对ZL205A合金凝固组织的影响[J].铸造技术,2014,10:

2332-2335.

[8]常芳娥,高玉社,坚增运,周晶,郑超,吕士勇.熔体过热处理对亚共晶Al-Si合金凝固特性和组织的影响[J].西安工业大学学报,2009,02:

148-151.

[10]陈红圣.Sn-Bi系合金熔体结构转变及其对凝固和润湿性的影响[D].合肥工业大学,2008.

[11]CanHuanga,YongzhongZhang,RuiVilar,JianyunShen,DryslidingwearbehavioroflasercladTiVCrAlSihighentropyalloycoatingsonTi-6Al-4Vsubstrate,MaterialsandDesign,（2012）

[12]CanHuanga,YongzhongZhang,JianyunShen,RuiVilar,ThermalstabilityandoxidationresistanceoflasercladTiVCrAlSihighentropyalloycoatingsonTi–6Al–4Valloy,Surface&CoatingsTechnology,（2011）

2.学术期刊、学术会议等其它参考文献自备。

完成期限：

2015.12-2016.5

指导教师签名：

专业负责人签名：

2016年05月01日

目录

1引言8

2相关理论概述9

2.1定向凝固概述9

2.1.1定向凝固的理论基础9

2.1.2定向凝固时的枝晶生长10

2.1.3定向凝固技术及其研究现状11

2.2熔体过热处理概述13

3试验材料及方法14

3.1试验材料14

3.2定向凝固设备15

3.3试样的制备16

熔体过热处理对定向凝固组织的影响18

4.1定向凝固工艺参数的确定19

4.1.1定向凝固温度T0的选定19

4.1.2定向凝固抽拉速率V0的选定19

4.2熔体过热处理对定向凝固组织的影响20

4.2.1熔体过热温度丁:

对定向凝固组织的影响20

4.2.2熔体过热时间ts对定向凝固组织的影响24

结论27

1引言

定向凝固技术是伴随着高温合金的发展而逐步发展起来的。

该技术最初用来消除结晶过程中生成的横向晶界,从而提高材料的单向力学性能。

由于定向凝固技术能得到-些具有特殊组织取向和优异性能的材料,因而自它诞生以来得到了迅速发展,目前已广泛地应用于半导体材料、磁性材料以及自身复合材料的生产。

同时,由于定向凝固技术的出现,也为凝固理论的研究和发展提供了实验基础（由于理论处理过程的简单化）,因为在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个重要的凝固参数能够独立变化,从而可以分别研究它们对凝固过程的影响。

此外,定向凝固组织非常规则,便于准确测量其形态和尺度特征。

近些年来,随着定向凝固技术的发展,定向凝固的试验研究也不断深入。

液态金属的结构和品质对金属材料的组织、性能和质量有着直接和重-要的影响。

金属或合金的液态结构不仅与金属的种类和合金的成分有关,而且也与熔体的温度以及熔体的热历史有关。

因此,国内外都十分重视对液态金属结构和性质的研究。

随着凝固技术和团簇物理学的发展,人们越来越关注熔体结构对最终凝固组织的影响,对凝固过程的研究逐步延伸到凝固开始前的液态金属结构对凝固组织的影响。

2相关理论概述

2.1定向凝固概述

2.1.1定向凝固的理论基础

固液界面稳定性是-个十分重要的问题。

成分过冷理论能成功地判定无偏析特征的平面凝固的条件,避免胞晶或枝晶的生成。

随着快速凝固的发展,又提出了绝对稳定理论,同样能成功地判定快速凝固时平面凝固的条件。

hcalmers、Tilerl等人在研究中发现在合金中液固界面前沿由于溶质富集将会产生“成分过冷”导致平界面失稳而形成胞晶和枝晶,首次提出了著名的“成分过冷”判据:

式中,GL为液固界面前沿液相温度梯度,V是界面生长速度,mL、C0、k0和DL分别为液相线斜率、合金平均成分、平衡溶质分配系数和液相中溶质扩散系数。

据此可以得到平界面稳定生长的临界速度

式中,

是合金平衡结晶温度间隔。

成分过冷理论提供了判断液固界面稳定性的第-个简明而适用的判据,对平界面稳定性,甚至胞晶和枝晶形态稳定性都能够很好地做出定性地解释。

但是这-判据本身还有-些矛盾,如:

成分过冷理论把平衡热力学应用到非平衡动力学过程中,必然带有很大的近似性；在固液界面上引入局部的曲率变化要增加系统的自由能,这-点在成分过冷理论中被忽略了；成分过冷理论没有说明界面形态的改变机制；快速凝固新领域的出现,发现上述理论已不能适用。

Mullnis和sekerkaI鉴于成分过冷理论存在不足,提出-个考虑了溶质浓度场和温度场、固液界面能以及界面动力学的绝对稳定理论。

在运算时,假定固液界面处于平衡,表面能为各向同性、无对流,在平的固液界面上有干扰。

推导出界面温度为

式中,

为界面液相温度,

为界面固相温度,

是平面凝固界面的熔点,

是Gibbs-Thomson数,尤为曲率（曲面凹向液面时为正）。

为曲率（曲面凹向液面时为正）。

绝对稳定理论推导出界面失稳公式为

式中,

是溶质质量分数梯度。

根据绝对稳定理论,可概括总结出下列几点

①快速凝固时,界面张力总是起到稳定固液界面的作用；②快速凝固时,溶质原子总是起到破坏固液界面稳定的作用；③平衡溶质分配系数越小,对绝对稳定区的平衡凝固条件要比成分过冷区的越苛刻；④快速凝固时,宏观的扩散边界层变得很小,大约只有几个原子层,固液界面前进的速率超过溶质原子在液相中的扩散速率,使在固液界面的局部不平衡不起作用,就会发生完全的溶质截留。

绝对稳定理论虽然已能应付快速凝固时的平衡凝固条件,但尚在不断完善中。

如这个理论只适合稀溶液,即低溶质质量分数的情况,并且忽略了凝固速率对溶质分配系数的影响。

2.1.2定向凝固时的枝晶生长

枝晶结构在合金的凝固过程中经常可以看到。

人们十分重视在凝固过程中伴随着显微偏析出现的枝晶结构,因为在大量工程材料中普遍有这些凝固特征,而且这些凝固特征在很大程度上影响材料的机械性能。

在过去的四十余年中,许多冶金学家、物理学家及数学家研究了凝固界面形态问题,有些研究成果被用来预测固液界面处稳定生长的条件及表征微观结构,特别是-次枝晶间距入；、二次枝晶间距从、枝晶尖端半径R及固液两相区长度d等,这些都是凝固参数的函数。

定向凝固试验中,在晶粒边界平界面变得不稳定,然后整个界面周期性地变化。

当界面速率增加,就会出现胞状晶结构,而随后将演化成枝晶结构。

在稳定的凝固条件下,枝晶前沿的微观结构特征参数如-次枝晶间距、枝晶尖端半径及固液两相区长度达到-个稳定的值,而二次枝晶将粗大。

但是,最先生长的几个二次枝晶,最初的二次枝晶间距从是具有代表性的。

这样我们用四个稳定的微观结构参数

、二次枝晶间距

、枝晶尖端半径R及固液两相区长度d等，这些都是凝固参数的函数。

定向凝固试验中，在晶粒边界平界面变得不稳定，然后整个界面周期性地变

化。

当界面速率增加，就会出现胞状晶结构，而随后将演化成枝晶结构。

在稳定的凝固条件下，枝晶前沿的微观结构特征参数如-次枝晶间距、枝晶尖端半径及固液两相区长度达到-个稳定的值，而二次枝晶将粗大。

但是，最先生长的几个二次枝晶，最初的二次枝晶间距从是具有代表性的。

这样我们用四个稳定的微观结构参数入，从R及d来表征枝晶结构。

2.1.3定向凝固技术及其研究现状

根据成分过冷理论，要使合金定向凝固得到平面凝固组织，主要取决于合金的性质和工艺参数的选择。

前者包括溶质质量、液相线斜率和溶质在液相中的扩散系数，后者包括温度梯度和凝固速率。

如果被研究的合金成分己定，则靠工艺参数的选择来控制凝固组织，其中固液界面液相-侧的温度梯度又是最关键的，所以人们都致力于提高温度梯度。

可以说，定向凝固技术的发展历史是不断提高设备温度梯度的历史。

大的温度梯度-方面可以得到理想的合金组织和性能，另-方面又可以允许加快凝固