定向凝固晶粒競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)行為研究.pdf

1、定向凝固單晶高溫合金是先進(jìn)高推比航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片等熱端部件的關(guān)鍵材料。定向凝固單晶的制取，涉及到選晶和單晶生長(zhǎng)兩個(gè)主要過程，前者是在眾多取向雜亂的晶粒中選取出與目標(biāo)取向一致的晶粒，后者則是在已選取晶粒的生長(zhǎng)過程中，防止雜晶的產(chǎn)生或發(fā)展。這兩個(gè)過程都涉及到雜晶與目標(biāo)晶粒之間的競(jìng)爭(zhēng)?，F(xiàn)有理論對(duì)晶粒競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)的描述通?；谶^冷度影響枝晶尖端位置進(jìn)而影響晶粒淘汰難易程度來進(jìn)行分析，僅是定性地指出，平行于熱流方向生長(zhǎng)的擇優(yōu)取向枝晶在與偏離熱流方向

2、生長(zhǎng)的非擇優(yōu)取向枝晶競(jìng)爭(zhēng)過程中具有優(yōu)勢(shì)，而并沒有考慮到枝晶取向發(fā)生改變后，枝晶形貌、尖端形態(tài)及枝晶間距等重要特征參數(shù)的復(fù)雜變化對(duì)競(jìng)爭(zhēng)過程的影響?；诖耍疚牟捎枚《?丙酮類金屬透明模型合金，考察了定向凝固過程中不同取向枝晶的生長(zhǎng)行為和形貌特征，對(duì)比研究了純擴(kuò)散及強(qiáng)制對(duì)流條件下，擇優(yōu)取向枝晶與非擇優(yōu)取向枝晶共存時(shí)二者的競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)行為及相關(guān)形貌特征參數(shù)，以期為完善定向凝固枝晶競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)理論奠定重要的實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。主要研究?jī)?nèi)容及相關(guān)結(jié)論如下：

3、
　　1.不同取向枝晶的定向凝固生長(zhǎng)行為
　　從內(nèi)在原因和外部影響兩方面分析了定向凝固過程中決定枝晶取向的關(guān)鍵因素，以及枝晶生長(zhǎng)方向變化對(duì)枝晶主軸形態(tài)、一次枝晶間距、側(cè)枝形態(tài)及二次間距等特征參數(shù)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，定向凝固過程中，枝晶主軸生長(zhǎng)方向偏離熱流方向時(shí)，其尖端形態(tài)仍然保持對(duì)稱，并可以用拋物線進(jìn)行擬合，其對(duì)稱軸平行于由晶粒內(nèi)在因素決定的晶體學(xué)優(yōu)先取向，而不是枝晶的實(shí)際生長(zhǎng)方向。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于平行于熱流方向生長(zhǎng)的擇優(yōu)取向

4、枝晶，偏離熱流方向生長(zhǎng)的非擇優(yōu)取向枝晶具有更大的一次間距。
　　2.純擴(kuò)散條件下晶粒競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)行為
　　探究了表征不同取向枝晶相互競(jìng)爭(zhēng)淘汰方向及快慢的參數(shù)。基于匯聚競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)和發(fā)散競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)，研究了擇優(yōu)取向枝晶與非擇優(yōu)取向枝晶并存時(shí)，兩者在定向凝固過程中的淘汰關(guān)系。發(fā)現(xiàn)了匯聚競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)過程中，存在非擇優(yōu)取向枝晶淘汰擇優(yōu)取向枝晶的反常行為，并在實(shí)驗(yàn)上首次確立了這種行為發(fā)生的誘因，即溶質(zhì)相互作用使得晶界處擇優(yōu)取向枝晶尖端振蕩降低并最終被

5、淘汰。發(fā)散雙晶的競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)過程中，晶粒的淘汰方式并非只有擇優(yōu)取向枝晶淘汰非擇優(yōu)取向枝晶一種，實(shí)際上，當(dāng)擇優(yōu)取向枝晶的主軸生長(zhǎng)方向與熱流方向存在偏離時(shí)，擇優(yōu)取向枝晶的生長(zhǎng)位置也可能被占據(jù)，進(jìn)而被非擇優(yōu)取向枝晶淘汰。總體來說，枝晶淘汰的過程與擇優(yōu)取向枝晶同熱流方向的偏離程度及枝晶主軸新增頻率有直接的關(guān)系。
　　3.對(duì)流對(duì)晶粒競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)行為的影響
　　在定向凝固的固液界面前沿人為引入對(duì)流，研究了強(qiáng)制對(duì)流存在條件下，單個(gè)枝晶形態(tài)、取向的

6、變化，及枝晶生長(zhǎng)產(chǎn)生的新現(xiàn)象，并進(jìn)一步考察了強(qiáng)制對(duì)流對(duì)不同取向枝晶的競(jìng)爭(zhēng)行為的影響。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)流增強(qiáng)了界面的起伏和波動(dòng)，會(huì)引起枝晶尖端發(fā)生分叉，顯著減小擇優(yōu)取向枝晶一次間距，并對(duì)枝晶尖端位置分布產(chǎn)生較大的影響，同時(shí)，對(duì)流的存在將使非擇優(yōu)取向枝晶淘汰擇優(yōu)取向枝晶的反常淘汰行為更容易發(fā)生。特別是在較低的生長(zhǎng)速度下，對(duì)流會(huì)使固液界面產(chǎn)生彎曲，導(dǎo)致匯聚型晶粒競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)過程中非擇優(yōu)取向枝晶被淘汰的現(xiàn)象發(fā)生，并增加了不同取向枝晶競(jìng)爭(zhēng)淘汰的不確定性。