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深过冷Co-xat.%Sn合金的凝固行为

张婷  
【摘要】:本文以Co-Sn合金为研究对象,采用熔融玻璃净化结合循环过热技术对合金(锡含量为20at.%、22at.%、24at.%、26at.%和28at.%)实现了深过冷,合金熔化及过冷凝固过程中的热历史采用高精度双色红外测温仪进行了实时监测。运用经典形核理论和瞬态形核理论对Co-24at.%Sn共晶合金凝固过程中的竞争形核行为进行了理论分析,利用X射线衍射结合EDS能谱对不同过冷度下Co-Sn合金的物相组成进行了分析,运用竞争形核理论结合物相分析探索了深过冷凝固Co-24at.%Sn共晶合金的相选择规律。利用金相显微镜、扫描电镜等分析了深过冷凝固Co-Sn合金的微观组织演变机制,并采用BCT模型、J-H理论对过冷共晶合金凝固过程中的晶体生长行为进行了理论分析。结合微观组织分析和理论计算探究了过冷Co-24at.%Sn共晶合金中非规则共晶的形成机制,基于不同成分、不同过冷度凝固Co-Sn合金微观组织分析确定了 Co-Sn合金的共晶共生区。系统阐述了深过冷Co-Sn合金的凝固行为。主要取得以下研究成果。利用熔融玻璃净化与循环过热相结合的深过冷技术,实现了Co-Sn合金的深过冷,实验中锡含量为20at.%、22at.%、24at.%、26at.%和28at.%的Co-Sn合金获得的最大过冷度分别为225K、190K、265K、206K和228K。实验获得的过冷度范围内,Co-Sn合金凝固后的组织中只含有α-Co和β-Co3Sn2两相,未发现亚稳相的生成。通过形核理论与生长模型可知:在实验获得的过冷度范围内,Co-24at.%Sn共晶合金中优先形核相为β-Co3 Sn2相,a-Co相与β-Co3Sn2相耦合生长形成规则层片共晶。随着过冷度的增加层片共晶逐渐转变成非规则共晶,转变开始和完成的临界过冷度分别为53K和228K。BCT模型计算结果表明:成分过冷在四种过冷中一直占主导地位。亚共晶、过共晶合金的组织演变具有类似的规律:合金熔体随着温度的降低首先析出初生相,随后在初生相的周围形成层片共晶。随着合金熔体过冷度的增加,初生相和层片共晶逐渐减小直至消失,凝固组织逐渐转变为非规则共晶。非规则共晶的形成机制:首先快速凝固过程中产生的凝固应力挤压相邻晶粒内共晶层片导致其错位、碎断,同时深过冷合金熔体在快速凝固过程中释放出的大量结晶潜热,使层片共晶重熔。Co-Sn共晶合金中共晶共生区的确定:小过冷度下,亚共晶合金与过共晶合金都有初生相的产生,随着过冷度增加初生晶消失,合金进入共晶共生区。锡含量为20at.%、22at.%、24at.%、26at.%以及28at.%的Co-Sn合金进入共晶共生区的过冷度分别为175K、102K、OK、96K以及202K。


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