單相合金定向凝固微觀組織演化的研究.pdf

1、深刻理解定向凝固微觀組織演化機制對材料性能預測及新材料開發(fā)具有重要指導作用。目前,關于單相二元合金定向凝固界面形態(tài)演化的研究已經取得了很大進展,主體理論框架已基本確定,然而平界面失穩(wěn)過程的動態(tài)定量描述、尖端狀態(tài)選擇、胞-枝轉變過程、傾斜生長方向選擇等細節(jié)和關鍵問題仍沒有得到完全解決。這些問題的進一步研究將為定向凝固理論的完善及定向凝固技術的發(fā)展提供指導。
　　從根本上講,定向凝固微觀組織形態(tài)選擇是溶質擴散、界面條件及外部控制條件等

2、各種因素相互作用的結果?；诖?本文在不同控制參數條件下,對單相二元合金低速端定向凝固微觀組織演化與選擇的過程及機制進行了研究,通過理論分析與定量相場計算相結合的方法,有選擇性地關注了某些重要理論問題,提出了新的理論模型和選擇機制。本文主要研究內容和結論如下:
　　1.平界面初始失穩(wěn)過程的定量描述
　　基于時間相關的線性穩(wěn)定性理論與傅立葉變換,建立了描述平界面失穩(wěn)過程中界面形態(tài)演化的理論模型。定量相場計算和實驗結果對該模型的

3、驗證表明,該模型可有效預測平界面初始失穩(wěn)時間與失穩(wěn)波長。采用該模型研究了抽拉速度和溫度梯度對平界面初始失穩(wěn)過程的影響,結果表明,平界面的初始失穩(wěn)是界面上背景擾動不斷放大的結果;初始失穩(wěn)時刻和平均擾動波長均隨著抽拉速度的增加而增加;初始失穩(wěn)時刻隨著溫度梯度的增加先減小后增加,而平均擾動波長隨溫度梯度的增加而單調增加。
　　2.界面能各向異性與平界面初始失穩(wěn)形態(tài)的關系
　　建立了界面能各向異性與平界面初始失穩(wěn)波長之間的定量關系,

4、并探討了平界面初始失穩(wěn)擾動波長作為新的評估界面能各向異性特征參量的可行性。平界面初始失穩(wěn)波長與界面能各向異性強度及晶體生長擇優(yōu)取向與熱流方向的夾角密切相關。相場計算與理論模型結果的對比表明,在非線性生長過程中界面能各向異性是導致界面失穩(wěn)后呈傾斜生長的因素之一。
　　3.確定性粘性指胞晶尖端分叉機制
　　指出了粘性指胞晶尖端分叉機制是確定性的,而并非是噪聲引起的。胞晶尖端分叉對應系統(tǒng)解的不存在,根源于尖端過冷度最小、尖端曲率局

5、部最小及尖端濃度最小這三個條件在胞晶間距過大時失去相容性。提出了描述基于粘性指生長的胞晶形態(tài)的重要參數,即尖端半徑與有效寬度比。
　　4.側向分枝產生機制
　　揭示了自由生長枝晶側向分枝產生的內在機制:小界面能各向異性條件下側向分枝生長由系統(tǒng)確定性內在機制決定,側向分枝為系統(tǒng)解的一部分。在此基礎上考察了定向凝固過程中內在機制和噪聲對側向分枝演化過程的影響。結果表明定向凝固過程中側向分枝產生的內在機制被溫度梯度和枝晶間相互作用

6、削弱,背景噪聲成為其側向分枝產生的主要原因。
　　5.胞-枝轉變的擴散不穩(wěn)定性模型
　　通過考察側向分枝生長過程控制參數引起的擴散不穩(wěn)定性,建立了具有明確物理意義的胞-枝轉變模型。模型在局部控制參數范圍內可簡化為標度律,與實驗規(guī)律一致,定量相場計算結果進一步驗證了所建胞-枝轉變模型的有效性。
　　6.枝晶生長特征尺度的選擇
　　采用定量相場計算系統(tǒng)研究了定向凝固枝晶的一次間距、尖端狀態(tài)和初始二次間距的選擇機制。枝

7、晶一次間距和尖端狀態(tài)選擇受枝晶間相互作用的影響,而初始二次間距與枝晶間相互作用無關。一次間距的選擇與凝固過程(階躍變速)有關。在枝晶間相互作用很弱時,尖端狀態(tài)選擇完全由界面條件和溶質擴散過程控制。定向凝固中界面能各向異性強度與枝晶尖端狀態(tài)選擇參數間存在冪指數形式的標度律,但與自由枝晶生長有較大差異。初始二次間距僅與抽拉速度滿足冪指數形式的標度律。在忽略枝晶間相互作用的前提下,枝晶初始二次間距與尖端半徑的比值是界面能各向異性強度的函數,該

8、比值可作為衡量界面能各向異性強度的參考標準。
　　7.傾斜生長方向的預測
　　根據枝晶傾斜生長方向與枝晶頂端濃度梯度的關系,并通過對枝晶尖端形態(tài)的半圓近似和拋物線近似建立了預測枝晶傾斜生長方向的唯象模型,并將該模型擴展至預測傾斜胞晶的生長方向。模型結果與前人數值模擬結果一致。
　　8.選晶過程的競爭淘汰機制
　　定量研究了傾斜生長過程中尖端過冷度隨傾斜生長方向及一次間距的變化規(guī)律。傾斜生長枝晶的尖端過冷度隨著生長