体积过冷度对铜基合金非平衡凝固组织演化及凝固行为影响研究

作     者：唐成 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王洪福;杨金娥

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：过冷度 微观组织 晶粒细化 枝晶重熔 再结晶 凝固速率 

摘      要：采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的技术,在CuNi合金的基础上,通过提升Cu含量及添加微量Co元素研究了Cu-Ni合金及Cu-Ni-Co合金微观组织形貌随过冷度的演化历程。结合BCT模型分析了过冷合金熔体中枝晶生长的控制因素,并确认了不同过冷度下的晶粒细化机理。最后,利用红外测温和高速摄影研究了Cu-Ni合金及Cu-Ni-Co合金的凝固行为。同时,还研究了Co元素及Cu含量提升对Cu-Ni合金微观组织、特征过冷度、细化的临界过冷度、显微硬度、凝固速率等的影响。Cu-Ni合金与Cu-Ni-Co合金微观组织随过冷度变化具有一样的演化历程,并且在小过冷和大过冷情况下都出现了细化组织的转变过程。合金微观组织形貌在小过冷度下表现为粗大枝晶向细化等轴晶组织的转变,细化组织中存在大量高强度织构,这符合高热效应驱使组织枝晶重熔碎断而细化的特点。合金在大过冷下则表现为定向细枝晶向等轴晶的形貌转变,细化组织中大量孪晶结构及高比例大角度晶界等特征则与再结晶致使组织细化一致。并且再结晶的驱动力源自合金熔体快速凝固时,强烈凝固收缩和热应变诱导的残余液相作用在枝晶骨架上产生的应力和应变。这为解决不同过冷度下合金细化机理的争论提供了有力的实验证据。结合BCT模型与金相分析,研究了合金微观组织转变内在因素。小过冷情况下,溶质扩散主导枝晶生长,但过冷熔体被限制在较窄的范围内生长,从而Cu-Ni合金形成粗大树枝晶形貌。随着过冷度增加,枝晶生长逐步受溶质扩散和热扩散的共同控制,枝晶重熔效应也逐渐增强。较小过冷度的过冷熔体在快速凝固时形成的枝晶被重熔形成众多结晶种子,合金组织得以细化。在中等过冷度范围内,枝晶在热扩散的方向上生长而呈现定向特性,并在枝晶骨架上产生应力积累。而在大过冷度时,热扩散主导定向生长的枝晶发生应力崩碎,枝晶碎片中残存的应变能为组织发生再结晶提供驱动力,组织因再结晶而细化。Cu-Ni及Cu-Ni-Co合金熔体在快速凝固时都只发生了一次再辉现象。随过冷度增加,再辉度近似以线性的形式上升,并且合金熔体凝固前沿出现“小角度平面-尖锐锋面-光滑弧形的转变过程。另外,合金的凝固速率与过冷度满足幂函数关系。Cu元素含量提升及Co元素添加对Cu-Ni合金微观组织形貌转变几乎没什么影响。但是随Cu含量的提升,Cu-Ni合金大过冷细化的临界过冷度会减小,而对小过冷合金细化的过冷度影响不大。Co元素的添加令Cu-Ni-Co合金微观组织转变的特征过冷度提升,却对临界过冷度影响较小。同时,加入Co元素会使合金的显微硬度提升约5%,而增加Cu元素分数反而会降低合金的显微硬度。此外,Cu元素和Co元素增加都会降低合金的凝固速率,也会削弱合金的再辉效应。