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(jī)制對(duì)材料性能預(yù)測(cè)及新材料開發(fā)具有重要指導(dǎo)作用。目前,關(guān)于單相二元合金定向凝固界面形態(tài)演化的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展,主體理論框架已基本確定,然而平界面失穩(wěn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)定量描述、尖端狀態(tài)選擇、胞-枝轉(zhuǎn)變過(guò)程、傾斜生長(zhǎng)方向選擇等細(xì)節(jié)和關(guān)鍵問(wèn)題仍沒(méi)有得到完全解決。這些問(wèn)題的進(jìn)一步研究將為定向凝固理論的完善及定向凝固技術(shù)的發(fā)展提供指導(dǎo)。
　　從根本上講,定向凝固微觀組織形態(tài)選擇是溶質(zhì)擴(kuò)散、界面條件及外部控制條件等

2、各種因素相互作用的結(jié)果。基于此,本文在不同控制參數(shù)條件下,對(duì)單相二元合金低速端定向凝固微觀組織演化與選擇的過(guò)程及機(jī)制進(jìn)行了研究,通過(guò)理論分析與定量相場(chǎng)計(jì)算相結(jié)合的方法,有選擇性地關(guān)注了某些重要理論問(wèn)題,提出了新的理論模型和選擇機(jī)制。本文主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:
　　1.平界面初始失穩(wěn)過(guò)程的定量描述
　　基于時(shí)間相關(guān)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(guò)程中界面形態(tài)演化的理論模型。定量相場(chǎng)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)該模型的

3、驗(yàn)證表明,該模型可有效預(yù)測(cè)平界面初始失穩(wěn)時(shí)間與失穩(wěn)波長(zhǎng)。采用該模型研究了抽拉速度和溫度梯度對(duì)平界面初始失穩(wěn)過(guò)程的影響,結(jié)果表明,平界面的初始失穩(wěn)是界面上背景擾動(dòng)不斷放大的結(jié)果;初始失穩(wěn)時(shí)刻和平均擾動(dòng)波長(zhǎng)均隨著抽拉速度的增加而增加;初始失穩(wěn)時(shí)刻隨著溫度梯度的增加先減小后增加,而平均擾動(dòng)波長(zhǎng)隨溫度梯度的增加而單調(diào)增加。
　　2.界面能各向異性與平界面初始失穩(wěn)形態(tài)的關(guān)系
　　建立了界面能各向異性與平界面初始失穩(wěn)波長(zhǎng)之間的定量關(guān)系,

4、并探討了平界面初始失穩(wěn)擾動(dòng)波長(zhǎng)作為新的評(píng)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(zhǎng)與界面能各向異性強(qiáng)度及晶體生長(zhǎng)擇優(yōu)取向與熱流方向的夾角密切相關(guān)。相場(chǎng)計(jì)算與理論模型結(jié)果的對(duì)比表明,在非線性生長(zhǎng)過(guò)程中界面能各向異性是導(dǎo)致界面失穩(wěn)后呈傾斜生長(zhǎng)的因素之一。
　　3.確定性粘性指胞晶尖端分叉機(jī)制
　　指出了粘性指胞晶尖端分叉機(jī)制是確定性的,而并非是噪聲引起的。胞晶尖端分叉對(duì)應(yīng)系統(tǒng)解的不存在,根源于尖端過(guò)冷度最小、尖端曲率局

5、部最小及尖端濃度最小這三個(gè)條件在胞晶間距過(guò)大時(shí)失去相容性。提出了描述基于粘性指生長(zhǎng)的胞晶形態(tài)的重要參數(shù),即尖端半徑與有效寬度比。
　　4.側(cè)向分枝產(chǎn)生機(jī)制
　　揭示了自由生長(zhǎng)枝晶側(cè)向分枝產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)制:小界面能各向異性條件下側(cè)向分枝生長(zhǎng)由系統(tǒng)確定性內(nèi)在機(jī)制決定,側(cè)向分枝為系統(tǒng)解的一部分。在此基礎(chǔ)上考察了定向凝固過(guò)程中內(nèi)在機(jī)制和噪聲對(duì)側(cè)向分枝演化過(guò)程的影響。結(jié)果表明定向凝固過(guò)程中側(cè)向分枝產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)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(cè)向分枝產(chǎn)生的主要原因。
　　5.胞-枝轉(zhuǎn)變的擴(kuò)散不穩(wěn)定性模型
　　通過(guò)考察側(cè)向分枝生長(zhǎng)過(guò)程控制參數(shù)引起的擴(kuò)散不穩(wěn)定性,建立了具有明確物理意義的胞-枝轉(zhuǎn)變模型。模型在局部控制參數(shù)范圍內(nèi)可簡(jiǎn)化為標(biāo)度律,與實(shí)驗(yàn)規(guī)律一致,定量相場(chǎng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了所建胞-枝轉(zhuǎn)變模型的有效性。
　　6.枝晶生長(zhǎng)特征尺度的選擇
　　采用定量相場(chǎng)計(jì)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(jī)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(wú)關(guān)。一次間距的選擇與凝固過(guò)程(階躍變速)有關(guān)。在枝晶間相互作用很弱時(shí),尖端狀態(tài)選擇完全由界面條件和溶質(zhì)擴(kuò)散過(guò)程控制。定向凝固中界面能各向異性強(qiáng)度與枝晶尖端狀態(tài)選擇參數(shù)間存在冪指數(shù)形式的標(biāo)度律,但與自由枝晶生長(zhǎng)有較大差異。初始二次間距僅與抽拉速度滿足冪指數(shù)形式的標(biāo)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(qiáng)度的函數(shù),該

8、比值可作為衡量界面能各向異性強(qiáng)度的參考標(biāo)準(zhǔn)。
　　7.傾斜生長(zhǎng)方向的預(yù)測(cè)
　　根據(jù)枝晶傾斜生長(zhǎng)方向與枝晶頂端濃度梯度的關(guān)系,并通過(guò)對(duì)枝晶尖端形態(tài)的半圓近似和拋物線近似建立了預(yù)測(cè)枝晶傾斜生長(zhǎng)方向的唯象模型,并將該模型擴(kuò)展至預(yù)測(cè)傾斜胞晶的生長(zhǎng)方向。模型結(jié)果與前人數(shù)值模擬結(jié)果一致。
　　8.選晶過(guò)程的競(jìng)爭(zhēng)淘汰機(jī)制
　　定量研究了傾斜生長(zhǎng)過(guò)程中尖端過(guò)冷度隨傾斜生長(zhǎng)方向及一次間距的變化規(guī)律。傾斜生長(zhǎng)枝晶的尖端過(guò)冷度隨著生長(zhǎng)