不同快速凝固方式下Ni-Sn反常共晶演化行为

发布时间：2020-05-17 10:38

【摘要】：共晶合金是一类重要的工业材料。共晶合金的性能在很大程度上取决于共晶结构的规则和非规则特征尺度及共晶相的取向选择,这使得共晶结构的规则性成为共晶理论研究的核心内容。在以往的研究中已发现,在快速非平衡凝固条件下,即使是规则共晶体系也会发生由规则层片或棒状生长向非规则反常共晶生长的转变,但是,目前研究者对反常共晶形成过程中共晶两相的形核及生长竞争机制的认识仍存在较大分歧。为了明确反常共晶的形成机制及其生长行为,本文选用目前共晶研究中应用最为广泛的Ni-Sn合金为研究对象,通过深过冷、激光熔凝及激光熔覆三种快速凝固手段,着重对比考察了凝固过程中共晶两相的形核竞争及外延生长竞争行为,力图明晰不同类型快速凝固过程中的Ni-Sn共晶组织演化行为及其相选择机制,厘清非平衡凝固条件下Ni-Sn反常共晶的形成机理。获得的主要研究成果如下:(1)自由凝固过程中两相形核竞争下的组织演化行为:在不同过冷度下,Ni-28wt.%Sn亚共晶合金深过冷凝固组织始终呈现为α-Ni枝晶+层片共晶(α-Ni+Ni_3Sn)生长,随过冷度增加,α-Ni枝晶逐渐出现熟化的趋势。但是,对于Ni-30wt.%Sn亚共晶合金,随着过冷度增加,当过冷度达到50K时,合金凝固组织中即开始出现反常共晶,到过冷度达到130K时,则转变为完全的反常共晶组织,当过冷度继续增大到180K时,反常共晶出现了明显细化。对于Ni-33wt.%Sn过共晶合金,其凝固组织在过冷度小于70K时呈现为海藻形态的共晶枝晶的生长,当过冷度达到130K时,组织转变为完全的反常共晶。(2)外延凝固过程中共晶两相生长竞争下的组织演化行为:经激光快速熔凝外延生长的Ni-Sn合金组织较铸态Ni-Sn合金基材明显细化,随着激光扫描速率的增加,Ni-Sn近共晶合金初生相枝晶一次间距、共晶层片间距逐渐减小,即使当扫描速率远超过TMK模型预测的Ni-Sn共晶解耦生长速率140mm/s,以及平界面绝对稳定性速度455mm/s,达到1000mm/s(生长速率约为500mm/s),仍未获得反常共晶组织,仅是共晶层片间距显著细化到约0.1μm。这表明了在外延凝固生长条件下,共晶快速凝固无法得到反常共晶组织。(3)同时存在激冷形核和外延生长竞争下的共晶凝固组织演化行为:激光扫描速率为0.1mm/s时,Ni-Sn共晶合金发生完全熔透现象,并在Ni-33wt.%Sn过共晶及Ni-30wt.%Sn亚共晶合金熔凝试样底部出现了反常共晶组织。同时,随着底部基板激冷导热能力的提升,反常共晶的生长区域扩大。这主要是由于,试样熔透时,底部基板对熔池底部所产生的共晶两相激冷自由形核及快速生长导致了底部反常共晶的产生,随后自熔池底部到顶部,在高的正温度梯度下,由底部已形成的共晶两相进一步进行外延凝固生长,使得只在熔池底部的小区域内形成了反常共晶组织。这进一步表明,共晶凝固过程中,两相的自由形核应是反常共晶形成的必要条件。(4)存在柱状晶/等轴晶转变(CET)下的共晶凝固组织的演化行为:在Ni-32.5wt.%Sn共晶合金激光熔覆沉积过程中发现,当熔池顶部发生CET时,熔覆沉积层顶部都会出现非规则反常共晶组织。进一步通过引入外加颗粒诱发形核,发现采用添加了1%SiC颗粒的Ni-32.5wt.%Sn合金粉末进行激光熔覆沉积时,在熔覆沉积层顶部同样存在有围绕SiC颗粒形成的反常共晶团。该现象进一步证实,共晶凝固过程中,两相的自由形核及其后的快速生长是反常共晶形成的充分必要条件。(5)共晶凝固反常共晶的组织特征和形成机制:对不同快速凝固条件下获得的反常共晶组织的EBSD分析结果显示,Ni_3Sn相取向比较一致,在空间上形成连续的结构,而α-Ni相的取向则分为一致和分散两种:其中,深过冷自由凝固条件下形成的大尺寸反常共晶属于前者,深过冷自由凝固条件下形成的小尺寸反常共晶,及在激光熔凝及激光熔覆条件下形成的反常共晶属于后者。通过对比不同凝固条件下的反常共晶组织及取向特征,表明:α-Ni相取向较一致的反常共晶,其来源于α-Ni相枝晶熔断;α-Ni相取向分散的反常共晶,则来源于共晶两相的解耦生长。
【图文】：

示意图,内界面,扫描速率,熔池

西北工业大学工学博士学位论文固速率与相应微观组织之间的关系，对于深入揭示快速凝固行为，以及验证、完善现有的快速凝固理论都具有重要意义。一些常用的快速凝固方法，不论是甩带，雾化沉积，还是深过冷，它们所能确定的参数通常为冷却速率，通常可表示为凝固速率和温度梯度的乘积，这也意味着不能把温度梯度和凝固速率分开考虑，故无法定量地分别确定凝固速率和温度梯度对微观组织的影响。激光快速熔凝技术是使用高能激光束快速扫描试样表面，熔化其表面层并在极快的冷却速率下快速凝固，具有以下特点：(1) 固相基材为熔池液相界面生长提供衬底，使得界面生长方式通常为外延生长，无形核过程；(2) 能准确地建立局部凝固速率与相应微观组织的联系。局部凝固速率与激光扫描速率的关系如图 1-1 所示，cos sbV V，sV 为局部凝固速率，bV 为激光束扫描速率，为与的夹角。

枝晶,共晶,过渡区,共晶组织

西北工业大学工学博士学位论文枝晶熔断而形成的反常共晶区，而在 Ni-29.3wt.%Sn 亚共晶合金悬浮淬火组织中没有发现反常共晶组织。并且，在两种合金成分的悬浮淬火实验过程中，凝固组织中出现了平衡态组织形态，即说明采用悬浮淬火的急冷速度还不够快。因此，他又选取了更高冷速的甩带淬火（冷却速率大于 105K/s）。发现 Ni-29.3wt.%Sn 亚共晶合金甩带淬火试样的最外层为 α-Ni 枝晶+规则共晶组织，中间为细小的反常共晶组织，，内部组织转变为粗大的反常共晶组织。他们认为，这是由于淬火时不同部位冷却速率不同，导致凝固组织存在差异。通过研究激光立体成形过程中 Ti-Ni 基梯度材料的强制性凝固外延生长，林鑫等人[77-79]发现，对于近共晶成分的 Ti-Ni 合金，（ -Ti+Ti2Ni）反常共晶组织也能够在强
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.15

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