定向凝固Al-4.5%Cu合金孪生枝晶形成与组织演化研究

发布时间：2020-05-19 19:12

【摘要】：羽毛状晶首先在半连续铸造的工业铝合金铸锭中被发现,其形态十分特殊,整体呈扇形形貌,是由一系列取向相近的孪生枝晶组成。孪生枝晶不同于面心立方体系中的100方向常规柱状枝晶,其主干通常沿110方向生长,主干中心沿着(111)共格孪晶面分叉,而相邻主干二次枝晶臂生长相遇则会形成波浪形的非共格孪晶界。为此,羽毛状晶通常就会表现出孪生层片与非孪生层片交替生长的组织特点。通过对铝合金半连续铸造工艺或者直接激冷铸造过程中形成的羽毛状孪生枝晶组织的表征与分析,得出了孪生枝晶形成的基本条件如下:(i)较快的冷却速率(G·V);(ii)熔体中存在一定的对流。然而,需要指出的是,在铝合金直接激冷铸造条件下,凝固工艺参数往往是相互耦合的,凝固过程中的温度梯度与生长速度无法单独控制,这极大地限制了孪生枝晶生长行为的定量考察和分析。而另一方面,Bridgman定向凝固工艺作为一种研究合金微观组织以及其与凝固参数关系的有效方法,可以分别单独控制凝固过程中的温度梯度G和生长速度V两个重要参量。然而,由于该过程中自然对流强度很低,以前研究者们普遍认为Bridgman定向凝固下很难获得孪生枝晶组织。本文采用高温度梯度Bridgman定向凝固方法,以Al-4.5 wt.%Cu为实验对象,首次在微弱自然对流小管径实验条件下成功制备出高密度的孪生枝晶组织,生长速度范围涉及100~3000μm/s。在较高温度梯度下(~200 K/cm),孪生枝晶的生长条件被极大地拓宽了。实验结果表明,定向凝固抽拉速度可以进一步改变孪生枝晶的组织形貌:当生长速度达到100μm/s后,孪生枝晶组织表现为孤立、局域性的生长特点,即所谓的孤立生长型孪生枝晶,这颠覆了人们对羽毛状晶中孪生枝晶通常表现出的密排团簇型生长形式的认识;而当生长速度进一步增大到1000μm/s后,凝固组织出现密排团簇型孪生枝晶,并在2000μm/s及更高速度下,获得了完全由孪生枝晶组成的凝固组织。为此,我们详细界定了定向凝固下铝合金中孤立生长型与密排团簇型孪生枝晶出现的凝固参数范围。对Bridgman定向凝固下合金中的熔体自然对流进行了定量考察,结果表明,固液界面前沿熔体的平均流速只有1.5mm/s,这个数值量级虽然远小于先前报道中给出的孪生枝晶形成时的熔体流场流速,但足以保证孪生枝晶的形成,同时引入流体动力学理论,对定向凝固下自然对流对孪生枝晶尖端的剪切效应进行了评估。采用可控非稳态定向凝固跃迁减速的方法对Al-4.5 wt.%Cu合金中孪生枝晶的生长稳定性与形态选择问题进行了系统研究。实验中将抽拉速度由3000?m/s跃减到100?m/s至0.3?m/s等速度。实验结果表明,跃迁减速后,高速区间下形核并充分发展的孪生枝晶并没有停止生长,而是可以在各不同低速区间下维持其较为稳定的生长。跃迁减速之后孪生枝晶晶粒发生了一定程度的择优演化,与热流方向更为一致的孪生枝晶生长得以保留,其共格孪晶面方向和枝晶主干方向与温度梯度G方向基本平行。跃迁减速后,孪晶生长范围可以覆盖整个合金凝固速率区间,不同凝固条件下的孪晶生长同样存在对应的形态演变与选择过程,所谓的“孪生胞晶”形态在3μm/s及以下的生长速度被发现。在孪生胞晶的稳态生长过程中,共格孪晶界两侧区域会发生绕111轴,沿(111)孪晶面的连续取向旋转现象,在更低生长速度下(0.3μm/s),局部区域的凝固组织孪晶界出现了退共格化现象与偏离孪晶的取向调整现象;高(50)值低取向差角度的CSL晶界是孪晶界在发生取向旋转偏离时优先选择的晶体学关系。详细TEM与HRTEM分析发现,高速区间(3000μm/s)下孪晶界结构畸变较小,而低速区间(1μm/s)下孪晶界的近邻区域出现了一系列的堆垛层错结构。更为重要的是,我们在相邻两孪晶界之间发现了连续的层错结构,层错将两孪晶界直接相连,这澄清了铝合金中孪生枝晶形成与生长是否与层错相关的疑问。围绕定向凝固下孪生枝晶增殖生长机制,孪生枝晶与常规柱状枝晶间的竞争生长以及孪生枝晶之间的竞争生长等问题进行了系统讨论。基于连续切片与三维重构技术对孪生枝晶沿共格孪晶面的增殖速率进行定量表征。基于高速凝固下孪晶层片的“穿透”生长现象,提出了一种不需借助于孪晶形核的侧向增殖机制。对高速和低速下孪生枝晶与常规枝晶的竞争生长行为进行了系统研究,同时发现,高速下孪生枝晶晶粒之间也存在竞争生长。基于实验结果,我们提出了孪生枝晶高效生长的三个基本要素,即垂直于孪晶面的侧向增殖分量R_x,平行于孪晶面的面内增殖分量R_y,以及孪生枝晶尖端生长分量R_z。并分别给予评估讨论。
【图文】：

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图 1-1 铝合金半连续铸造工艺过程示意图[3]1 Schematic (vertical cut) representation of the Semi-continuous casting of Al 为铝合金半连续铸造过程的示意图，该过程也被称为直接激冷主要由分流装置、水冷结晶器以及引锭板等部分构成，其中最晶器，是由内层的紫铜和外层的铸铁拼合构成的一个中空腔体

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西北工业大学博士学位论文，使结晶器底部被封住，然后从上方将金属熔体经分流装置到结晶器壁的冷却作用形成具有一定厚度的凝壳后，开动起以设定的速度向下移动，，并逐渐拉出结晶器，铸坯移出水作用会迅速冷却，与此同时，水冷结晶器上部还会不断部被连续拉出的铸坯达到要求的长度后，停止半连续铸造
【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】：TG146.21

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