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Metastable liquid properties and rapid crystal growth of Ti-Ni-Al alloy investigated by electrostatic levitation and molecular dynamics simulation

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Science China(Technological Sciences) 2021年第10期64卷 2200-2210页

作者： XIAO RuiLin RuAN Ying LIN MaoJie QIN JingYu LI Hui Hu Liang WEI BingBo MOE Key Laboratory of Materials Physics and Chemistry under Extraordinary Conditions School of Physical Science and TechnologyNorthwestern Polytechnical UniversityXi’an 710072China Key Laboratory for Liquid-Solid Structural Evolution and Processing of Materials Ministry of EducationShandong UniversityJinan 250061China

Electrostatic levitation technique and molecular dynamics simulation were performed to investigate the thermophysical properties,liquid structure and crystal growth dependence on undercooling of Ti_(85)Ni_(10)Al_(5) *** liquid Ti_(85)Ni_(10)Al_(5) alloy was substantially undercooled up to 335 K(0.18T_(L)).As undercooling increased,the potential energy of the liquid alloy decreased and the alloy entered into a high metastable *** this state,the atoms tended to bond with each other and the clusters were inclined to convert into high-coordinated clusters,as confirmed by the fraction of the high-coordinated clusters *** enlarged clusters and enhanced local structure stability contributed to the increase of the thermophysical parameters and crystal growth velocity,and eventually dendrite *** density,the specific heat and the surface tension of liquid alloy exhibited a linear relation with temperature and the shear viscosity of liquid alloy showed exponential variation which showed good agreement with the calculation results by molecular dynamics *** growth velocity first increased slowly and then dramatically once the undercooling exceeded the *** achieved maximum crystal growth velocity was 12.4 m s^(−1) and it was up to 326 times of the value at 94 K undercooling.

关键词： electrostatic levitation thermophysical properties liquid structure crystal growth molecular dynamics

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空间材料科学研究进展与未来趋势

中国科学：技术科学 2020年第6期50卷 603-649页

作者：阮莹胡亮闫娜解文军魏炳波西北工业大学空间材料科学与技术实验室西安710072

空间材料科学是材料科学与空间技术相融合形成的一个交叉学科领域.它萌生于20世纪中期的空间探索实验,伴随着载人航天的迅速发展逐步成长为材料科学中一个相对完整的分支学科.我国即将迎来自己的空间站时代,从而为此新兴学科带来更广阔... 详细信息

空间材料科学是材料科学与空间技术相融合形成的一个交叉学科领域.它萌生于20世纪中期的空间探索实验,伴随着载人航天的迅速发展逐步成长为材料科学中一个相对完整的分支学科.我国即将迎来自己的空间站时代,从而为此新兴学科带来更广阔前景.本文系统总结了最近二十年来国内外在空间环境物理化学特征、空间条件下材料的液态性质与相变动力学、空间材料制备成形过程运动学,以及空间环境中材料组织与性能调控等四方面研究的主要进展,并分析展望了这一学科领域的未来发展趋势.

关键词：空间材料科学空间环境空间实验空间站电磁悬浮超声悬浮静电悬浮气动悬浮

微重力下Fe-Al-Nb合金液滴的快速凝固机理及其对显微硬度的影响

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物理学报 2017年第10期66卷 251-258页

作者：谷倩倩阮莹代富平西北工业大学应用物理系西安710072

采用落管无容器处理技术实现了Fe_(67.5)Al_(22.8)Nb_(9.7)三元合金在微重力条件下的快速凝固,获得了直径为40—1000μm的合金液滴.实验中合金液滴的过冷度范围为50—216 K,冷却速率随着液滴直径的减小由1.23×10~3K·s^(-1)增大到5.53... 详细信息

采用落管无容器处理技术实现了Fe_(67.5)Al_(22.8)Nb_(9.7)三元合金在微重力条件下的快速凝固,获得了直径为40—1000μm的合金液滴.实验中合金液滴的过冷度范围为50—216 K,冷却速率随着液滴直径的减小由1.23×10~3K·s^(-1)增大到5.53×10~5K·s^(-1).研究发现,Fe_(67.5)Al_(22.8)Nb_(9.7)合金液滴的凝固组织均由Nb(Fe,Al)_2相和(αFe)相组成,且随着液滴直径的减小,初生Nb(Fe,Al)_2相由树枝晶转变为等轴晶,共晶组织发生了约3倍的细化且生长特征由层片共晶向碎断共晶转变;硬质初生Nb(Fe,Al)_2相的析出有效提高了合金的显微硬度.与电磁悬浮条件下同过冷合金的凝固组织对比发现,落管条件下的合金液滴凝固组织更细化,使得合金显微硬度提高了2%—6%.

关键词：共晶生长快速凝固深过冷显微硬度

落管中Ni-Fe-Ti合金的快速凝固机理及其磁学性能

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物理学报 2017年第13期66卷 240-246页

作者：朱海哲阮莹谷倩倩闫娜代富平西北工业大学应用物理系西安710072

采用落管自由落体方法实现了Ni_(45)Fe_(40)Ti_(15)合金在微重力无容器条件下的快速凝固,获得了直径介于160—1050μm的合金液滴.理论计算表明冷却速率及过冷度随液滴直径减小而增大,并呈指数函数关系,实验获得的最大过冷度为210 K(0.14... 详细信息

采用落管自由落体方法实现了Ni_(45)Fe_(40)Ti_(15)合金在微重力无容器条件下的快速凝固,获得了直径介于160—1050μm的合金液滴.理论计算表明冷却速率及过冷度随液滴直径减小而增大,并呈指数函数关系,实验获得的最大过冷度为210 K(0.14 T_L).随着过冷度增大,凝固组织中粗大的γ-(Fe,Ni)枝晶逐渐细化,二次枝晶间距减小,溶质Ti在γ-(Fe,Ni)相中的固溶度显著扩展.对不同直径合金液滴的凝固样品进行磁学性能分析,结果表明随着凝固合金液滴直径减小,其饱和磁化强度增大,矫顽力减小,矩形比下降,软磁性能明显提高.

关键词：快速凝固深过冷 Ni-Fe-Ti合金磁学性能

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多孔铜的电沉积制备及力学性能

中国有色金属学报 2019年第3期29卷 517-524页

作者：李星吾阮莹魏炳波西北工业大学应用物理系西安710072

以聚氨酯泡沫为基体,采用电沉积法制备三维网状多孔铜,研究不同工艺参数对多孔铜材料形貌、结构和力学性能的影响。结果表明:多孔铜的表观密度介于0.119～0.218g/cm^3之间,平均孔径为2.6mm,孔隙率为89.8%～92.6%;电沉积过程中降低主盐Cu... 详细信息

以聚氨酯泡沫为基体,采用电沉积法制备三维网状多孔铜,研究不同工艺参数对多孔铜材料形貌、结构和力学性能的影响。结果表明:多孔铜的表观密度介于0.119～0.218g/cm^3之间,平均孔径为2.6mm,孔隙率为89.8%～92.6%;电沉积过程中降低主盐CuS_O4浓度和溶液温度,可获得较强的阴极极化作用;阴极电流密度和沉积时间对多孔铜的孔隙率和表观密度具有调控作用;多孔铜的准静态圧缩过程可依次分为线性弹性阶段、脆性破坏阶段和致密化阶段;压缩强度与表观密度的关系符合幂函数增长规律。在36 A/m^2电流密度下将沉积时间从3h延长至5 h,材料的压缩强度可提升53%。

关键词：多孔铜电沉积孔隙率表观密度力学性能

液态三元Fe-Cr-Ni合金中快速枝晶生长与溶质分布规律

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物理学报 2018年第14期67卷 202-212页

作者：李路远阮莹魏炳波西北工业大学应用物理系西安710072

采用落管方法实现了液态三元Fe-Cr-Ni合金的深过冷与快速凝固,合金液滴的冷却速率和过冷度均随液滴直径的减小而迅速增大.两种成分合金近平衡凝固组织均为粗大板条状α相.在快速凝固过程中,不同直径Fe_(81.4)Cr_(13.9)Ni_(4.7)合金液滴... 详细信息

采用落管方法实现了液态三元Fe-Cr-Ni合金的深过冷与快速凝固,合金液滴的冷却速率和过冷度均随液滴直径的减小而迅速增大.两种成分合金近平衡凝固组织均为粗大板条状α相.在快速凝固过程中,不同直径Fe_(81.4)Cr_(13.9)Ni_(4.7)合金液滴凝固组织均为板条状α相,其固态相变特征很明显,随着过冷度增大,初生δ相由具有发达主干的粗大枝晶转变为等轴晶.Fe_(81.4)Cr_(4.7)Ni_(13.9)合金液滴凝固组织由α相晶粒组成,随着过冷度增大,初生γ相由具有发达主干的粗大枝晶转变为等轴晶,其枝晶主干长度和二次分枝间距均显著下降,晶粒内溶质的相对偏析度也明显减小,溶质Ni的相对偏析度始终大于溶质Cr.理论计算表明,与γ相相比,δ相枝晶生长速度更大.在实验获得的过冷度范围内,两种Fe-Cr-Ni合金枝晶生长过程均由热扩散控制.

关键词： Fe-Cr-Ni合金快速凝固枝晶生长溶质分布

冷却速率对急冷Fe-Al-Nb三元合金凝固组织形成的影响

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金属学报 2017年第6期53卷 641-647页

作者：谷倩倩阮莹朱海哲闫娜西北工业大学应用物理系西安710072

采用单辊急冷技术研究了Fe_(67.5)Al_(22.8)Nb_(9.7)三元合金的快速凝固和组织形成规律。当辊速从10 m/s增大到40 m/s时,合金条带厚度减少1个数量级,冷速增加了7倍;辊速为40 m/s时样品形状除规则条带外还出现了鱼骨状条带和球状液滴。... 详细信息

采用单辊急冷技术研究了Fe_(67.5)Al_(22.8)Nb_(9.7)三元合金的快速凝固和组织形成规律。当辊速从10 m/s增大到40 m/s时,合金条带厚度减少1个数量级,冷速增加了7倍;辊速为40 m/s时样品形状除规则条带外还出现了鱼骨状条带和球状液滴。合金显微组织由Nb(Fe,Al)_2和a-Fe组成,随着辊速增大,凝固组织特征发生变化并且显著细化。随着辊速的增大,合金条带近自由面凝固组织则由初生a-Fe相和层片共晶向碎断层片共晶转变,近辊面凝固组织始终由不规则共晶组成。辊速达到40 m/s时,规则条带完全由不规则共晶组成;合金液滴由于获得的冷速相对较低,其凝固组织主要由初生a-Fe相和层片共晶组成,且随着液滴直径的减小初生相由树枝晶向等轴晶转变。

关键词： Fe-Al-Nb三元合金快速凝固显微组织冷却速率共晶