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声悬浮和自由落体条件下深过冷与快速凝固研究

吕勇军  
【摘要】: 深过冷液态金属与非金属的无容器快速凝固研究是当前空间材料科学领域研究的重要课题。本文采用声悬浮无容器处理技术系统地研究了大体积水及Pb-Sn二元共晶合金在深过冷条件下的快速凝固规律,讨论了声场对过冷度及凝固后的微观组织形貌的影响。同时,采用落管无容器处理技术,研究了Al-32.7wt%Cu二元共晶合金的深过冷及快速凝固行为。主要取得了以下几方面的研究成果: 研究了φ5~8mm的大体积水在声悬浮无容器条件下的快速凝固行为。获得了最大为24K的过冷度。讨论了空化效应对水滴过冷度的影响,认为空化效应诱发水滴提前形核,抑制了大过冷度的获得。实验测定了不同过冷度下冰枝晶的生长速度,并且改进了冰枝晶的生长理论,使之更符合大过冷度时的枝晶生长情况。 采用声悬浮无容器处理技术研究了Pb-Sn共晶合金在深过冷条件下的凝固规律。发现在小过冷范围内,由于超声波的搅拌作用层片共晶组织发生碎断现象;在大过冷情况下,超声波可以有效地抑制宏观偏析的发生。分析了声场对过冷度的影响,认为声波引起的样品表面振动以及试样的绕轴自转都会抑制过冷度的进一步提高,不利于深过冷条件的获得。 采用落管无容器处理技术研究了Al-32.7wt%Cu二元共晶合金在深过冷条件下的快速凝固规律。发现随着过冷度的增大,Al-Cu共晶合金发生“规则共晶—不规则共晶”的组织形貌转变。实验中获得了间距为65nm的精细层片共晶组织。利用TMK模型理论描述了Al-Cu共晶合金的快速生长规律,确定了“规则共晶—不规则共晶”转变的过冷度阈值为199K,确定了粒子直径与过冷度呈负指数关系。


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