工业燃机用大型复杂定向或单晶叶片制备的需求,对传统的高速凝固(HRS)定向凝固技术提出了挑战,以液态金属冷却法(LMC)为代表的高梯度定向凝固技术迎来了发展机遇。本文总结分析了高梯度定向凝固技术的工作原理、所制备铸件的组织特点、以及其对凝固缺陷、固溶热处理、力学性能的影响。高梯度定向凝固技术提高了铸件内的温度梯度和冷却速率,因而能够显著减小一次及二次枝晶间距、碳化物、共晶和铸态孔洞尺寸,降低了共晶和铸态孔洞的含量;并降低了热处理过程中固溶孔的含量和元素的残余偏析;该技术还有效抑制雀斑缺陷,提高杂晶形成的临界抽拉速率,减小晶粒取向偏离。高梯度定向凝固技术能够显著提高高温合金的持久性能,但对于单晶合金在高温下提高幅度较小,低周与高周疲劳性能均明显提高,且降低了数据分散度,但在氧化条件下改善幅度减小。

深过冷液态金属(合金)凝固时伴随有显著的温度再辉,初生固相因此不可避免地部分被重熔,从而影响到最终凝固组织形态。近年来,过冷熔体中晶体生长理论模型不断完善,使得定量分析初生固相重熔程度随过冷度的变化规律成为可能,本文即对这方面的研究工作进展进行综述,并结合某些合金在不同过冷度下晶体生长行为及其凝固组织的实验结果,对典型非平衡凝固组织的形成机制进行阐述。

高性能镁合金的开发应用与凝固组织控制是当前的研究热点。采用定向凝固技术、快速凝固技术以及在镁合金凝固过程中施加外场能够有效地控制镁合金的凝固组织,从而改善材料的综合力学性能。本文主要综述了定向凝固技术、快速凝固技术以及电磁搅拌3种方式对高性能镁合金的凝固组织进行控制的研究现状。最后,展望了凝固组织控制的发展趋势。

TiAl基合金是一种在航空航天等领域极具应用前景的轻质高温结构材料,通过控制TiAl基合金中片层取向可显著提升合金在单向受力条件下的综合力学性能。本文介绍了籽晶法定向凝固技术在TiAl基合金片层取向控制的最新进展,回顾了传统Ti-43Al-3Si籽晶法所面临的问题,重点总结了近年来新发展的二次定向凝固法、原位自籽晶定向凝固法、准籽晶定向凝固技术以及高熔点金属籽晶定向凝固技术,这些技术有利于促进籽晶法定向凝固控制TiAl基合金片层取向的工程化进展。但TiAl基合金中不同相的实际生长取向的持续稳定需要籽晶引晶与动力学条件的相结合才能得以实现,因此,新型籽晶技术与定向凝固工艺条件的互相结合将是未来籽晶法的发展趋势。

竞争生长是材料微观组织演化过程中普遍存在的现象,不同组织间(包括相、枝晶、晶粒等)均可能存在竞争生长,这些竞争作用对最终微观组织的形成及力学性能具有重要影响。不同取向晶粒间的竞争生长控制是材料微观组织调控的重要环节,尤其是对定向单晶叶片的制备,不同取向晶粒间的竞争生长是决定能否成功获得完整单晶结构的关键因素。近年来,一方面单晶材料制备要求的不断提高,迫切需要有关晶粒竞争生长机制及规律方面的理论性指导,另一方面经典晶粒竞争生长理论预测结果与实验观测并不相符,有时甚至可能完全相反,这使得定向凝固过程中不同取向晶粒间的竞争生长问题日益成为一个热门的研究课题。本文首先回顾了Walton-Chalmers模型的晶粒竞争生长机制及其所受到的严重挑战,然后分别对定向凝固二维条件下汇聚生长和发散生长及三维条件下晶粒竞争生长的研究现状进行了述评,并介绍了本课题组近年来基于相场法数值模拟在定向凝固晶粒竞争生长研究方面的工作进展,最后对定向凝固过程中不同取向晶粒之间的竞争生长研究进行了总结与展望。

本文对作者所在课题组近20年来开展的受控凝固研究与应用工作进行了综述,主要包括凝固前母相的熔体热处理、液/固两相区的半固态处理、非平衡材料的快冷顺序凝固、半固态快冷顺序凝固等,以及将受控凝固扩展到固态相变阶段的定向热处理、定向凝固与定向固态相变相结合的“双控”材料制备新技术等。同时,展望了受控凝固技术及其应用今后的发展方向。

偏晶合金十分广泛,若能将其制成原位复合材料,如：弥散型复合材料、壳/核结构复合材料或第二相呈现纤维状排列的复合材料等,则其中许多具有优异性能,工业应用前景广阔。但该类合金凝固时首先发生液-液相变,生成2个互不混溶的液相,在常规的凝固条件下,极易形成相偏析严重乃至两相分层的凝固组织。近年来,偏晶合金凝固理论及凝固组织控制研究受到了材料科学领域的高度重视,人们在空间和地面上开展了大量实验,尝试了用电场、磁场、微合金化等方法控制偏晶合金凝固组织的可行性,并结合实验开展了深入的建模与模拟研究。本文综述了近年来有关偏晶合金凝固过程研究的进展,展望了本领域今后的发展趋势。

无论从相变,还是从材料热加工或材料设计而言,非平衡凝固与固态相变的一体化研究均具有深远的科学意义和极大的工程应用前景。本综述系统阐述了单相固溶体合金、共晶合金、包晶合金、多组元高温合金和铝合金的非平衡凝固及其包晶反应、块体转变、亚稳-稳定相转变、沉淀析出、再结晶和晶粒长大等固态转变行为。进而从非平衡凝固影响后续固态相变、非平衡凝固导致固态相变新机制、非平衡凝固与固态相变的一体化组织调控3个层次,探讨了非平衡凝固与随后固态相变的物理关联,实现了非平衡凝固和固态相变共同作用下的微观组织控制。本综述旨在为非平衡凝固效应的定量表征以及非平衡凝固与固态相变共同作用下的组织预测提供理论支撑。

本文首先分别总结了微观孔洞和逆偏析2种凝固缺陷的形成机理及各自预测模型的发展,然后对二者的耦合预测模型发展做了概括总结,最后重点介绍了近期作者所建立的一个新的耦合预测模型。该模型首先利用气体元素在液-固-气三相中的分配规律,结合因液相在枝晶间补缩通道内流动受阻引起的局部压降,建立了一个新的微观孔洞预测模型;然后结合微观孔洞的析出对糊状区枝晶间补缩液流的影响规律,对经典的“局部溶质再分配方程”进行修正,得到一个新的逆偏析解析模型。针对以柱状枝晶方式定向凝固的Al-4.5%Cu (质量分数)合金的计算结果表明,凝固过程中微观孔洞的形成,会补偿糊状区中的凝固收缩,从而减少枝晶间的补缩液流,使糊状区枝晶间溶质富集程度减小,最终使逆偏析得到缓解。

本文从凝固理论、凝固方法与装置、凝固体系、性能及应用等方面,综述了定向凝固多孔金属的研究进展。圆柱形气孔规则排列的多孔金属是通过定向凝固方法在加压气氛中利用金属/气体共晶反应制备的。通过控制凝固方向,不仅可以制备一维藕状多孔结构,还可以制备二维放射状多孔结构。参考经典的Jackson-Hunt共晶模型,建立了稳态凝固条件下金属-气体共晶定向凝固的理论模型,并且给出了考虑H₂逸出和定向凝固多孔结构形成的工艺参数窗口。介绍了模铸法、连续铸造法和Bridgman型定向凝固法3种制备技术。重点介绍了定向凝固多孔结构制备过程中的2个重要进展：孔结构均匀的定向凝固多孔合金的制备以及高孔隙率定向凝固多孔Al的制备。圆柱形气孔规则排列使得定向凝固多孔金属在力、热、声以及渗透等方面具有特殊的性能优势,因此在轻质结构材料、热沉、过滤器和人工骨等领域具有广阔的应用前景。

近些年来关于强磁场下材料加工过程的研究取得了长足的发展和进步。本文综述了强磁场下金属材料凝固过程控制和新材料制备的研究进展。重点介绍了强磁场下Lorentz力、热电磁力和磁化力对熔体流动、溶质分布和组织演变的影响规律;磁力矩对磁性相的晶体取向的作用规律;磁偶极间相互作用对相排列的控制作用等。同时,介绍了利用强磁场下的凝固方法制备MnSb/MnSb-Sb梯度复合材料和梯度磁致伸缩材料、各向异性材料等新型功能材料的研究进展。通过强磁场控制金属材料凝固过程可以有效改善材料的微观组织,并进一步提高材料性能,这为开发新型功能材料提供新的途径。

随着冶金新技术的发展,金属材料面临高均质化、高洁净化、超细晶化和低消耗的性能要求。脉冲电磁场因能耗低、施加方便、细化效果显著,成为新一代冶金技术的发展方向。脉冲电磁场凝固技术主要包括脉冲电流、脉冲磁场和脉冲磁致振荡凝固技术。脉冲磁致振荡技术是在脉冲电流和电磁搅拌的理论基础上,将脉冲电流导入感应线圈,通过磁场诱发熔体感应出电磁力进行非接触式处理,从而不会污染熔体。本文主要介绍脉冲磁致振荡凝固技术的发明过程、基本的理论基础、细化机理、国内外研究现状及应用进展等。

结晶相的凝固特性决定其凝固后的组织和性能,要对结晶相凝固特性与过程进行准确表征与有效控制,就必须知道熔体-结晶相固-液界面能的准确数据。本文结合作者长期以来对熔体-结晶相固-液界面能的研究工作,论述了熔体-结晶相固-液界面能实验测定和理论研究方面的相关进展。通过对不同温度下固-液界面能实验测定结果的分析比较,发现熔体-结晶相的固-液界面能随温度的降低而减小;找出了Spaepen固-液界面能模型与实验测定结果不相符的原因;提出基于固-液界面结构的固-液界面能理论模型及用其确定固-液界面能的方法。结果表明,当前模型对固-液界面能的预测结果不仅与熔点温度下实验值和模拟值相吻合,而且也与过冷温度下实验值和模拟值相吻合。

铸锭存在严重非均质问题,直接影响最终产品的性能和材料利用率,并制约后续热加工方法和工艺窗口选择。提高铸锭的均质化水平对节能降耗、提高材料利用率、保障构件服役性能和重大装备建设具有重要意义。本文介绍了大型铸锭非均质化因素如成分偏析、夹杂、缩孔/疏松和晶粒不均匀问题及其在后续热加工中的演变,提出了铸锭均质化窗口的概念;介绍分析了大型铸锭凝固过程宏观偏析数值计算和模拟研究的新进展以及提高铸锭均质化水平的新方法;针对冷却速率不均、不可控多相流动和非平衡溶质分凝3个造成铸锭非均质的根本原因,提出了可以根据目标均质化窗口进行铸造过程预设计的层状铸造(layer casting)新方法,建立了层状单元分配和变成分浇注成分控制模型。数值计算模拟和实验验证表明,层状铸造在降低多相流速、均化冷却速率、改变溶质分凝方面效果显著,提高了铸锭的均质化水平,并可大幅度降低设备投资、节能降耗,有望应用于高品质大型铸锭制造。

枝晶是一种最常见的金属凝固显微组织。在大多数中低速的凝固过程中,枝晶组织发生粗化是一种不可避免的现象,对最终的凝固组织和产品性能产生重要影响。本文首先简要评述半个多世纪以来关于连续冷却和等温凝固过程中的枝晶粗化在理论研究、实验研究和数值模拟3方面的研究进展。随后,介绍作者课题组最近提出的一个包含凝固和熔化机制的元胞自动机(cellular automaton,CA)模型。采用该CA模型对SCN-ACE合金在固/液两相区等温过程中的枝晶粗化现象进行模拟研究,并对枝晶粗化过程中的凝固/熔化、界面几何形状和溶质扩散之间的复杂相互作用关系进行分析。

进行了外加纵向静磁场下GCr15轴承钢的定向凝固实验,考察了纵向静磁场对试样凝固过程中柱状枝晶向等轴枝晶转变(columnar to equiaxed transition,CET)的影响。结果表明,在温度梯度(104 K/cm)和抽拉速率(20 μm/s)一定时,随着磁场强度的增加(0~5 T),试样棒边缘柱状枝晶的生长逐渐地遭到破坏,从而发生不同程度的CET;当磁场强度和温度梯度分别为4 T和104 K/cm时,在较低抽拉速率(5 μm/s)下,试样的凝固组织发生了完全CET;在试样发生完全CET后,其合金元素分布趋于均匀。结合数值模拟,可将这些现象归结为纵向静磁场与热电流相互作用产生的热电磁力对枝晶和熔体的作用所致。

对Al-3Mn-7Be合金(原子分数,%)在1~1500 μm/s的抽拉速率下进行定向凝固实验,研究了抽拉速率对合金组织演化、金属间化合物形貌演变和合金力学性能等的影响规律。结果表明,Be元素的加入使二元相图向高Mn区移动,引入了金属间化合物λ相、T相、Be₄AlMn和准晶I相,而且Be的加入明显细化了合金的组织。随着抽拉速率的增加,固/液界面过冷度和溶质过饱和度增加,引起初生金属间化合物相的竞争生长,初生相先由λ相转变为T相,后转变为准晶I相,伴随着形成初生Be₄AlMn相。同时,初生相的形貌、尺寸和生长方式也随抽拉速率的增加而发生改变。随着抽拉速率的增加,定向凝固合金的强度先下降后提高,在抽拉速率较低和较高时,定向凝固合金均呈现了较大延伸率,这主要由其定向凝固组织、强化相的种类、形貌以及与基体构成的界面结构决定。

在自由落体条件下实现了Ti-6Al-4V合金微液滴的深过冷与快速凝固,研究了合金的相组成、凝固组织和显微硬度。计算出落管中不同直径微液滴的过冷度和冷却速率,揭示了Ti-6Al-4V合金凝固组织随过冷度及冷却速率的变化规律。结果表明,深过冷与快冷速的耦合作用使凝固组织不断细化且形貌发生转变：层片α+β→枝晶α→网篮状α'+β→针状α'→针状α'+不规则β。当液滴直径小于400 μm时,位于原始等轴β晶的晶界及晶内的针状马氏体α'转化为大量连续分布且形状不规则的次生β相,发生α'→β固态转变。不同直径范围内的Ti-6Al-4V合金凝固组织的显微硬度与组织形貌有关,“层片组织”、“ 针状α'组织”和“针状α'+不规则β组织”的显微硬度随液滴直径的减小而增大,“网篮组织”的显微硬度随液滴直径的减小而减小。其中,枝晶组织的显微硬度可高达785 kg/mm²,是母合金硬度的2.6倍。