高温合金是目前军用和民用航空发动机以及燃气轮机高温零部件不可替代的关键结构材料. 高温合金铸锭或者铸件通常存在晶粒粗大、枝晶组织发达、铸锭显微缺陷多、开坯锻造温度高等问题. 细晶铸造可消除铸锭或铸件微观缩孔, 减小偏析, 消除三晶区[1 ,2 ] . 同时可提高高温合金塑性和低周疲劳性能[3 ] , 改善高温合金铸锭的塑性加工能力, 使其开坯成功率明显提高. 因此, 控制高温合金铸锭晶粒组织十分重要.
晶粒细化可以概括为增加形核率或抑制晶粒生长[4 ] . 当对熔体在特定温度区间施加外场时, 其凝固后组织得到明显细化[5 ] . 通过物理或化学法对金属熔体进行处理, 可以改变熔体的状态与结构, 从而达到“控构”和“控性”的目的. Li等[6 ] 的研究结果表明, Cu-Sn合金熔体结构转变对凝固组织细化起到关键作用. Wang等[7 ] 对Pb80 Sb20 合金液相线附近的过渡态现象进行了研究, 结果表明, 过共晶Pb80 Sb20 合金被加热至异常区后获得了细化的组织. Men等[8 ] 对Al-Si 合金剪切流作用下晶粒细化进行了研究, 发现在液相线以上较窄温度区间内对熔体施加强制对流, 可以提高非枝晶近球状长大的稳定性. 文献[9~11]报道了外场对凝固过程中的过冷度以及形核率的影响, 同样发现了外场可以起到细化晶粒组织的作用. Haghayeghi和Nastac[12 ] 发现在液相线以上温度区域施加剪切流可以细化AA7449铝合金组织. Zhang等[13 ] 分析了电磁场处理对液相线附近熔体凝固后组织以及屈服强度的影响, 研究结果表明, 电磁场的存在提高了凝固组织的均匀性以及凝固后铸件的屈服强度. Wannasin等[14 ] 研究结果表明, 对铝合金在液相线以上较低的温度施加强制对流, 可促进动力学形核.
目前, 对电磁场下细晶铸造的研究主要集中于电磁场对合金凝固过程中晶粒长大过程的影响[15 ,16 ] . 已有研究[17 ] 表明凝固前原子团簇以及晶胚对凝固组织有着重要的影响. 然而, 电磁场影响液相线附近熔体结构及球晶稳定化, 由此引起形核率及枝晶形貌改变的问题缺乏深入研究. 为此, 本工作选取Ni-20Cr-18W (质量分数, %)[18 ] 高温合金为研究对象, 对高温合金熔体在液相线附近电磁场处理对凝固组织的影响进行分析, 同时考虑了电磁场下强制对流以及热效应双重作用, 从电磁场影响原子团簇、固/液界面稳定性以及树枝晶向球状晶转变角度, 揭示非枝晶组织的形成机制, 为进一步开发液相线铸造技术提供一定的理论依据.
1 实验方法
实验用Ni-20Cr-18W高温合金的化学成分(质量分数, %)为: Cr 19.8, W 18.5, Mo 1.2, Al 0.5, C 0.1, Ni余量. 采用真空感应熔炼+真空自耗重熔双联工艺制备母合金铸锭. 采用设备型号为NETZSCH STA 449C差式扫描量热仪(DSC)测定该合金液相线温度为1400 ℃, 固相线温度为1350 ℃.
将清洗过的60 kg Ni-20Cr-18W高温合金原料放进Al2 O3 坩埚中, 在ZG-0.1型国产中频感应炉中进行熔炼. 此中频炉具体参数: 真空度为6.6×10- 3 Pa, 感应频率为2500 Hz, 最高温度为1700 ℃, 功率为160 kW, 采用铂铑热电偶测温. 合金熔炼温度为1500 ℃, 将精炼后的熔体缓慢降温到1400 ℃, 并在液相线温度附近(1405~1390 ℃)保温30 min, 然后浇入预热温度为1000 ℃的模壳中, 切除冒口, 得到直径为110 mm, 高度为400 mm的母合金铸锭. 从母合金铸锭中切取35 g试样, 放入直径为16 mm, 高为50 mm的Al2 O3 坩埚中, 用GP-35AB型中频感应熔炼电源将试样加热至1500 ℃保温5 min, 然后分别把熔体降温到1405和1390 ℃, 并在此温度保温10 min, 最后断开加热电源让熔体空冷. 感应加热电源主要技术参数: 感应频率为20 kHz, 最大功率为35 kW, 采用ZX-100B双色红外测温仪(响应时间为100 ms, 误差为±2 K, 量程为1073~2273 K)测温. 用JSM-6700型扫描电子显微镜(SEM)及附带的HKL电子背散射衍射(EBSD)装置进行分析, 利用Channel5 EBSD分析软件自动对切除冒口的35 kg母合金铸锭进行晶粒和图像标定. EBSD试样制备过程: 采用线切割得到要分析的截面, 试样经过机械打磨抛光后, 以体积比1∶4的硫酸和甲醇作为电解抛光液, 在Lectropol-5型电解抛光仪上抛光, 其抛光电压和时间分别为25 V和120 s. 用OLYMPUS GX71光学显微镜(OM)对35 g铸锭进行组织分析.
2 实验结果
2.1 60 kg铸锭组织分析
首先, 沿铸锭冒口以下10 mm处切取直径110 mm, 厚10 mm的试样进行宏观组织观察(如图1a所示), 然后从上述试样上取10 mm×10 mm×5 mm试样进行金相和EBSD分析, 其具体取样位置如图1b所示, 图1c为从铸锭边缘到中心部位取样进行组织分析的结果.
图1 60 kg Ni-20Cr-18W高温合金细晶铸锭EBSD和SEM分析取样示意图以及对应组织
Fig.1 Schematic showing details of SEM and EBSD analysis on 60 kg grain refinement ingot in Ni-20Cr-18W superalloy
图1c结果表明, 沿铸锭径向方向由边缘到中心部的组织均为近球状晶形貌, 平均晶粒尺寸d=127 mm. 且铸锭中无明显三晶区. 这是由于电磁场作用于液相线附近60 kg熔体时, 使得熔体内存在大量的近程有序排列的准固态原子集团和近球状晶粒[19 ,20 ] , 此状态的熔体在一定过冷度下, 将迅速长大变成稳定的结晶核心, 发生内生形核的同时开始凝固, 最后形成球状晶粒. 图1c中No.4的组织呈枝晶形貌, 这是由于60 kg熔体三维体积较大, 浇注入铸模中后, 熔体脱离电磁场作用, 其温度场存在一定的不均匀分布, 导致铸锭凝固后中间部分组织呈现未完全球化的枝晶形貌. 为了真实全面地反映不同区域晶粒组织和方便查看对应的晶粒尺寸, 对传统铸造凝固过程中容易产生柱状晶区的图1b中No.2与No.3试样进行EBSD分析, 结果如图2所示, 图2中不同颜色代表不同晶粒取向. 对于fcc结构的Ni-20Cr-18W高温合金而言, <001>方向的晶粒在竞争生长过程中具有最大生长优势. 而图2结果表明, No.2与No.3试样形成了细小且随机分布的球状晶, 无择优取向; No.2试样平均晶粒尺寸d=116 μm, No.3试样平均晶粒尺寸d=132 μm, 且大部分两相邻晶粒的位向差大于15°. 这是由于电磁场作用于熔体时, 熔体温度场和溶质场分布均匀, 晶体长大行为无明显的方向性[21 ] , 即晶粒无择优生成方向.
图2 Ni-20Cr-18W高温合金不同区域EBSD像
Fig.2 Transverse section EBSD images for samples No.2 (a) and No.3 (b) of Ni-20Cr-18W superalloy in Fig.1b
2.2 电磁场作用下60 kg熔体温度场分析
Zuo等[22 ] 研究了有无电磁场条件下温度场的分布, 发现电磁场产生的强制对流使熔体温度场更均匀. 大体积熔体温度场分布亦符合上述规律, 但对电磁场作用下大体积熔体在液相线附近的温度场分布还少见报道, 且温度场分布对晶粒细化机制分析有重要影响. 利用ANSYS有限元软件对电磁场、流场、温度场进行耦合, 模拟了2500 Hz条件下60 kg熔体在液相线附近均匀保温的温度场分布, 如图3所示, 其中图3a为沿60 kg铸锭轴线切除的横截面取样示意图. 由图3可知, 熔体中部(曲线1和6)处于均匀的高温区域, 熔体内最高温度处于熔体的中心部位, 在液相线以上5 ℃左右, 为原子团簇存在的温度区间. 由于熔体表面散热过快, 熔体边缘部位(曲线3和4)处于低温区域, 在液相线以下6 ℃左右. 除熔体表面外, 大部分熔体温度均集中在1395~1406 ℃之间, 熔体最大温差为11 ℃. 模拟结果表明, 在电磁场作用下的60 kg熔体内, 同时存在液相线以上高温区和液相线以下低温区.
图3 60 kg熔体取样示意图及其在2500 Hz, 17.6×106 A/m2 条件下熔体温度分布
Fig.3 Schematic of sampling locations along longitudinal section of 60 kg melt at 2500 Hz and 17.6×106 A/m2 (a), and temperature fields of different locations along axial (b) and radial (c) directions
2.3 非枝晶组织形成
原子团簇存在于液相线以上熔体中, 球晶存在于液相线以下熔体中[12 ] . 为了分析液相线附近熔体不同温度保温的形核机制, 对35 g较小试样进行实验验证. 图4为在液相线附近不同温度保温处理后的凝固组织. 由图4可知, 在液相线以上温度(1405 ℃)和液相线温度(1400 ℃)保温后的组织为均匀细小的球状晶粒, 其平均晶粒直径为40 μm. 这是由于液相线附近的合金熔体存在微观不均匀结构, 当这些结构尺寸达到1~10 nm时, 熔体中可形成稳定的原子团簇[23 ,24 ] . 在液相线温度附近形核的关键条件是获得与晶核润湿角非常小的固相基底, 准固相原子团簇与晶核有良好的“湿润”效果, 可以成为潜在晶核核心, 在后续凝固过程中可以作为异质形核的固相基底. 同时, 较小的过冷度和均匀的温度场的存在, 使得熔体发生瞬态形核, 且熔体中形核率得到提高, 所以铸锭凝固组织细化. 熔体在液相线以下温度保温后(1390 ℃), 凝固组织形貌大部分呈蔷薇型, 少量接近于球状(图4c), 并且蔷薇型晶粒组织与球状晶粒组织交叉分布. 电磁场产生的Peltier热电效应使熔体在浇注前或者整体凝固前以较小近球状晶粒组织存在, 已经形核的晶粒也不会以发达枝晶形式存在于熔体中.
图4 Ni-20Cr-18W高温合金不同温度保温后的光学显微组织
Fig.4 OM microstructures of Ni-20Cr-18W superalloy held isothermally at different temperatures
3 电磁场下液相线附近细化机制讨论
当电磁场作用于近液相线熔体时, 可对其产生强制对流和热效应双重作用. 首先, 改善了液相线以上原子集团的大小、形状和分布, 为先期形核率提供了条件, 使较大原子团簇可以作为非均质形核核心[25 ] ; 其次, 使液相线以下已经形核的晶胚维持稳态近球形状态, 即提高了球晶稳定化半径[26 ,27 ] ; 第三, 电磁场产生的Peltier热电效应使二次枝晶臂得到钝化, 使已形成的枝晶向球状晶转变[13 ] .
在液相线以上较窄温度区间内的熔体, 原子集团的尺寸相对较大, 原子集团的大小、数量与分布都较为均匀, 宏观上表现为, 熔体中温度场和浓度场都比较均匀, 微观上溶质场相对稳定. 当电磁场作用于熔体时, 加快了原子集团的游动速率(扩散速率增大), 增加了相互碰撞与结合的次数, 使原子集团形状和分布更加均匀, 同时电磁场使熔体温度场和浓度场更加均匀. 随着温度的进一步降低, 这些原子集团在相起伏下易于达到临界形核半径, 形成稳定的晶胚[28 ] . 可见, 电磁场的存在增大了形核初期熔体中有效结晶核心的数量, 为形核率的提高创造了条件.
图5 枝晶状组织固/液界面处Peltier热电效应示意图
Fig.5 Schematics of Peltier heating on solid/liquid interface of dendritic grain
液相线以下的熔体在坩埚壁等易于形核位置处开始形核并生长, 由于温度一直保持在结晶温度区间, 进入熔体的初始枝晶在电磁场、温度场和溶质场的三场耦合作用下, 以球状晶粒存在于熔体中, 其长大过程也受到抑制, 最终以较小晶坯稳定存在于过冷熔体中.
电磁场产生的强制对流有利于提高固/液界面的稳定性, 促进凝固组织球晶稳定性. 其中, 晶核球状稳定生长动力学判据[29 ] 如式(1)所示:
(1) G ≥ R Δ T 0 D － Γ K R 2 D 2
式中, G为固/液前沿温度梯度, K/mm; R为固/液界面生长速度, μm/s; D为液相扩散系数, m2 /s; K为溶质平衡分配系数; ΔT0 为成分C0 的合金固/液相线温度差, K; Γ为Gibbs-Thomson系数, m·K.
周期性的流动使得扰动前沿局部存在溶质富集, 而与溶质分布类似的温度分布也会在界面前沿形成正温度梯度. 实际熔体中界面前沿温度边界层的厚度远大于浓度边界层厚度[30 ] , 且电磁场的存在进一步减小了温度和浓度边界层厚度, 由式(1)可知, 电磁场扰动能够抑制界面前沿成分过冷, 使其界面前沿过冷度减小. 从而提高界面稳定性, 增大球状晶临界稳定半径.
研究[13 ] 表明, 电磁场产生的Peltier热电效应使枝晶向非枝晶转变. Peltier热效应使固/液界面上的凸出部分熔化, 从而使界面趋于光滑圆整. 其具体原理为, 在固/液界面区域, 固相与液相在成分及电导率上存在明显的差异, 固/液界面两相接触形成一个闭合回路. 液态金属的电导率比固态金属小, 固相为优先通道, 当电流通过导体时产生热量, 这一效应使熔体温度升高(过冷度减小)为:
(2) Δ T ＝ e j 2 m c
式中, DT为过冷度, K; e为熔体电阻率, W·m; m为熔体单位体积质量, kg; j为电流密度, A/m2 ; c为比热容, J/(kg·K); 在固/液界面处, 液态金属电导率比固态金属少数倍, 即eL ＞eS , 固相为优先通道. 因此, 枝晶尖端(A)与根部(B)存在一定的温度梯度, 同时在枝晶状固/液界面处产生热电流j, 如图5a所示. 枝晶顶部温度下降, 根部温度上升, TA <TB , 这种温度的差异将使固相脆弱部分重熔, 这将对凝固过程中的固/液界面形貌产生影响, 进而影响到凝固组织(如图5). 在这种Peltier热效应作用下, 保温阶段的晶粒形貌容易由发达树枝晶状(图5a)向等轴状(图5b)转变, 最后转变为近球状(图5c).
图3结果表明, 60 kg熔体在电磁场作用下保温时, 存在液相线以上和液相线以下区域, 是一种原子团簇与球晶共存的熔体(图6), 且两者处于一个动态平衡状态. 图6中虚线圆形部分内部为溶质抑制形核区, 亦称为抑制成分过冷区[31 ] . 当60 kg熔体在液相线保温时, 当液相线以上区域的原子团簇运动到溶质抑制形核区时, 这些原子团簇不能成为新的形核核心. 而当其运动到溶质抑制形核区以外时, 这些原子团簇能成为新的形核核心, 进而发展为新的球状晶粒.
图6 原子团簇与细小球状晶粒相互作用示意图
Fig.6 Schematic of interactions between atomic clusters and globular grains
在电磁场作用下液相线保温处理的60 kg熔体在浇注或者凝固前, 近液相线熔体在电磁场、温度场和溶质场三场耦合下发生树枝晶向球状晶转变和球状晶稳定化半径增大, 此时熔体是由大量原子团簇和球状晶粒组成. 由于电磁场的存在, 在浇注或者凝固前, 熔体的宏观温度场相对比较均匀, 同时原子团簇的存在增大了形核率, 所以, 在一定过冷度下熔体发生同时凝固, 得到细小球状晶粒组织.
4 结论
(1) 采用电磁场近液相线熔体保温工艺对高温合金进行处理, 可获得平均晶粒尺寸d=127 mm, 两相邻晶粒的位向差大部分大于15°, 凝固组织为球状的60 kg铸锭.
(2) 电磁场使高温合金熔体的温度场和溶质场分布更均匀, 并成功使60 kg熔体在液相线附近均匀保温. 其中, 保温温度集中于1395~1406 ℃区间, 熔体最大温差仅为11 ℃.
(3) 电磁场加快了原子集团的游动速率, 增加了相互碰撞与结合次数, 改变了熔体中原子团簇的大小、形状及分布. 此外, 电磁场通过提高固/液界面稳定性, 增大了球晶稳定化半径, 促进了树枝晶向球状晶的转变, 从而有利于凝固前熔体中晶胚的球晶稳定化生长.
参考文献
文献选项
[1]
Kotadia H R Zhang H Fan Z Mater Lett , 2010 ; 64 : 671
[本文引用: 1]
[2]
Haghayehi R Nastac L Mater Lett , 2011 ; 65 : 3230
[本文引用: 1]
[3]
Xiong Y H Li P J Yang A M Yan W D Zeng D B Liu L Acta Metall Sin , 2002 ; 38 : 529
[本文引用: 1]
(熊玉华 , 李培杰 , 杨爱民 , 严卫东 , 曾大本 , 刘 林 . 金属学报 , 2002 ; 38 : 529 )
[本文引用: 1]
[4]
Zhou Y H Solidification Technology. Beijing : Mechanical Industry Press , 1998 : 55
[本文引用: 1]
(周尧和 . 凝固技术. 北京 : 机械出版社 , 1998 : 55 )
[本文引用: 1]
[5]
Xia K Tausing G Mater Sci Eng , 1998 ; A246 : 1
[本文引用: 1]
[6]
Li X F Zhang F Zu F Q Lv X Zhao Z X Yang D D J Alloys Compd , 2010 ; 505 : 472
[本文引用: 1]
[7]
Wang Y Q Wu Y Q Liu J T Bian X F Chin Phy Lett , 2006 ; 23 : 2513
[本文引用: 1]
[8]
Men H Jiang B Fan Z Acta Mater , 2010 ; 58 : 6526
[本文引用: 1]
[9]
Alirezar K Miwa K J Toshiyuki K S Trans Nonferrous Met Soc China , 1998 ; 29 : 1477
[10]
Du Y Y Lu Y P Wang T M Li T J Zhang G L Proc Eng , 2012 ; 27 : 1129
[11]
Wang J S Xue Q G Chang G W Tang Y Wang J Z Cang D Q J Univ Sci Technol Beijing , 2004 ; 11 : 123
[12]
Haghayeghi R Nastac L Mater Lett , 2011 ; 65 : 3230
[本文引用: 2]
[13]
Zhang X L Li T J Teng H T Me S S Jin J Z Mater Sci Eng , 2007 ; A475 : 194
[本文引用: 3]
[14]
Wannasin J Canyook R Wisutmethangoon S Flemings M C Acta Mater , 2013 ; 61 : 3897
[本文引用: 1]
[15]
Li Q S Song C J Li H B Zhai Q J Mater Sci Eng , 2007 ; A466 : 101
[本文引用: 1]
[16]
Zi B T Ba Q X Cui J Z Xu G M Scr Mater , 2000 ; 43 : 377
[本文引用: 1]
[17]
He S X Wang J Zhou Y H Acta Metall Sin , 2002 ; 38 : 379
[本文引用: 1]
(何树先 , 王 俊 , 周尧和 . 金属学报 , 2002 ; 38 : 379 )
[本文引用: 1]
[18]
Liu Y Hu R Li J S Mater Sci Eng , 2009 ; A508 : 141
[本文引用: 1]
[19]
Yue J T Voltmer W J Cryst Growth , 1975 ; 29 : 32
[本文引用: 1]
[20]
Li M J Takuya T Naoki O Kenji M W J Alloys Compd , 2009 ; 487 : 187
[本文引用: 1]
[21]
Shibayan R Satyam S Tamirisa K Acta Mater , 2011 ; 59 : 5494
[本文引用: 1]
[22]
Zuo Y B Cui J Z Zhao H T J Mater Sci , 2012 ; 47 : 5501
[本文引用: 1]
[23]
Wang B Yang Y S Zhou J X Tong W H Rare Met Mater Eng , 2009 ; 38 : 519
[本文引用: 1]
(汪 彬 , 杨院生 , 周吉学 , 童文辉 . 稀有金属材料与工程 , 2009 ; 38 : 519 )
[本文引用: 1]
[24]
Jia P Wang E G Lu L He J C Acta Metall Sin , 2013 ; 49 : 1573
[本文引用: 1]
(贾 鹏 , 王恩刚 , 鲁 辉 , 赫冀成 . 金属学报 , 2013 ; 49 : 1573 )
[本文引用: 1]
[25]
Fan Z Wang Y Xia M Arumuganathar S Acta Mater , 2009 ; 57 : 4891
[本文引用: 1]
[26]
Li T Lin X Huang W D Acta Mater , 2006 ; 54 : 4815
[本文引用: 1]
[27]
Lin X Tong L L Zhao L N Wanng L L Wang M Huang W D Trans Nonferrous Met Soc China , 2010 ; 20 : S826
[本文引用: 1]
[28]
Dong J Lu G M Ren Q F Cui J Z Acta Metall Sin , 2002 ; 38 : 203
[本文引用: 1]
(董 杰 , 路贵民 , 任栖峰 , 崔建中 . 金属学报 , 2002 ; 38 : 203 )
[本文引用: 1]
[29]
Flemings M C Solidification Processing. New York: McGraw Hill Book Company , 1974 : 42
[本文引用: 1]
[30]
Huang Y Liu S Lu D Y Zhou Y H Cheng G S Zhang F S Chin Space Sci Technol , 1989 ; 9 (1 ): 7
[本文引用: 1]
(黄 焰 , 刘 山 , 鲁德洋 , 周尧和 , 程功善 , 张福生 . 中国空间科学技术 , 1989 ; 9 (1 ): 7 )
[本文引用: 1]
[31]
Shu D Sun B D Mi J Gran P S Acta Mater , 2011 ; 59 : 2
[本文引用: 1]
1
2010
... 高温合金是目前军用和民用航空发动机以及燃气轮机高温零部件不可替代的关键结构材料. 高温合金铸锭或者铸件通常存在晶粒粗大、枝晶组织发达、铸锭显微缺陷多、开坯锻造温度高等问题. 细晶铸造可消除铸锭或铸件微观缩孔, 减小偏析, 消除三晶区[1 ,2 ] . 同时可提高高温合金塑性和低周疲劳性能[3 ] , 改善高温合金铸锭的塑性加工能力, 使其开坯成功率明显提高. 因此, 控制高温合金铸锭晶粒组织十分重要. ...
1
2011
... 高温合金是目前军用和民用航空发动机以及燃气轮机高温零部件不可替代的关键结构材料. 高温合金铸锭或者铸件通常存在晶粒粗大、枝晶组织发达、铸锭显微缺陷多、开坯锻造温度高等问题. 细晶铸造可消除铸锭或铸件微观缩孔, 减小偏析, 消除三晶区[1 ,2 ] . 同时可提高高温合金塑性和低周疲劳性能[3 ] , 改善高温合金铸锭的塑性加工能力, 使其开坯成功率明显提高. 因此, 控制高温合金铸锭晶粒组织十分重要. ...
1
2002
... 高温合金是目前军用和民用航空发动机以及燃气轮机高温零部件不可替代的关键结构材料. 高温合金铸锭或者铸件通常存在晶粒粗大、枝晶组织发达、铸锭显微缺陷多、开坯锻造温度高等问题. 细晶铸造可消除铸锭或铸件微观缩孔, 减小偏析, 消除三晶区[1 ,2 ] . 同时可提高高温合金塑性和低周疲劳性能[3 ] , 改善高温合金铸锭的塑性加工能力, 使其开坯成功率明显提高. 因此, 控制高温合金铸锭晶粒组织十分重要. ...
1
2002
... 高温合金是目前军用和民用航空发动机以及燃气轮机高温零部件不可替代的关键结构材料. 高温合金铸锭或者铸件通常存在晶粒粗大、枝晶组织发达、铸锭显微缺陷多、开坯锻造温度高等问题. 细晶铸造可消除铸锭或铸件微观缩孔, 减小偏析, 消除三晶区[1 ,2 ] . 同时可提高高温合金塑性和低周疲劳性能[3 ] , 改善高温合金铸锭的塑性加工能力, 使其开坯成功率明显提高. 因此, 控制高温合金铸锭晶粒组织十分重要. ...
1
1998
... 晶粒细化可以概括为增加形核率或抑制晶粒生长[4 ] . 当对熔体在特定温度区间施加外场时, 其凝固后组织得到明显细化[5 ] . 通过物理或化学法对金属熔体进行处理, 可以改变熔体的状态与结构, 从而达到“控构”和“控性”的目的. Li等[6 ] 的研究结果表明, Cu-Sn合金熔体结构转变对凝固组织细化起到关键作用. Wang等[7 ] 对Pb80 Sb20 合金液相线附近的过渡态现象进行了研究, 结果表明, 过共晶Pb80 Sb20 合金被加热至异常区后获得了细化的组织. Men等[8 ] 对Al-Si 合金剪切流作用下晶粒细化进行了研究, 发现在液相线以上较窄温度区间内对熔体施加强制对流, 可以提高非枝晶近球状长大的稳定性. 文献[9~11]报道了外场对凝固过程中的过冷度以及形核率的影响, 同样发现了外场可以起到细化晶粒组织的作用. Haghayeghi和Nastac[12 ] 发现在液相线以上温度区域施加剪切流可以细化AA7449铝合金组织. Zhang等[13 ] 分析了电磁场处理对液相线附近熔体凝固后组织以及屈服强度的影响, 研究结果表明, 电磁场的存在提高了凝固组织的均匀性以及凝固后铸件的屈服强度. Wannasin等[14 ] 研究结果表明, 对铝合金在液相线以上较低的温度施加强制对流, 可促进动力学形核. ...
1
1998
... 晶粒细化可以概括为增加形核率或抑制晶粒生长[4 ] . 当对熔体在特定温度区间施加外场时, 其凝固后组织得到明显细化[5 ] . 通过物理或化学法对金属熔体进行处理, 可以改变熔体的状态与结构, 从而达到“控构”和“控性”的目的. Li等[6 ] 的研究结果表明, Cu-Sn合金熔体结构转变对凝固组织细化起到关键作用. Wang等[7 ] 对Pb80 Sb20 合金液相线附近的过渡态现象进行了研究, 结果表明, 过共晶Pb80 Sb20 合金被加热至异常区后获得了细化的组织. Men等[8 ] 对Al-Si 合金剪切流作用下晶粒细化进行了研究, 发现在液相线以上较窄温度区间内对熔体施加强制对流, 可以提高非枝晶近球状长大的稳定性. 文献[9~11]报道了外场对凝固过程中的过冷度以及形核率的影响, 同样发现了外场可以起到细化晶粒组织的作用. Haghayeghi和Nastac[12 ] 发现在液相线以上温度区域施加剪切流可以细化AA7449铝合金组织. Zhang等[13 ] 分析了电磁场处理对液相线附近熔体凝固后组织以及屈服强度的影响, 研究结果表明, 电磁场的存在提高了凝固组织的均匀性以及凝固后铸件的屈服强度. Wannasin等[14 ] 研究结果表明, 对铝合金在液相线以上较低的温度施加强制对流, 可促进动力学形核. ...
1
1998
... 晶粒细化可以概括为增加形核率或抑制晶粒生长[4 ] . 当对熔体在特定温度区间施加外场时, 其凝固后组织得到明显细化[5 ] . 通过物理或化学法对金属熔体进行处理, 可以改变熔体的状态与结构, 从而达到“控构”和“控性”的目的. Li等[6 ] 的研究结果表明, Cu-Sn合金熔体结构转变对凝固组织细化起到关键作用. Wang等[7 ] 对Pb80 Sb20 合金液相线附近的过渡态现象进行了研究, 结果表明, 过共晶Pb80 Sb20 合金被加热至异常区后获得了细化的组织. Men等[8 ] 对Al-Si 合金剪切流作用下晶粒细化进行了研究, 发现在液相线以上较窄温度区间内对熔体施加强制对流, 可以提高非枝晶近球状长大的稳定性. 文献[9~11]报道了外场对凝固过程中的过冷度以及形核率的影响, 同样发现了外场可以起到细化晶粒组织的作用. Haghayeghi和Nastac[12 ] 发现在液相线以上温度区域施加剪切流可以细化AA7449铝合金组织. Zhang等[13 ] 分析了电磁场处理对液相线附近熔体凝固后组织以及屈服强度的影响, 研究结果表明, 电磁场的存在提高了凝固组织的均匀性以及凝固后铸件的屈服强度. Wannasin等[14 ] 研究结果表明, 对铝合金在液相线以上较低的温度施加强制对流, 可促进动力学形核. ...
1
2010
... 晶粒细化可以概括为增加形核率或抑制晶粒生长[4 ] . 当对熔体在特定温度区间施加外场时, 其凝固后组织得到明显细化[5 ] . 通过物理或化学法对金属熔体进行处理, 可以改变熔体的状态与结构, 从而达到“控构”和“控性”的目的. Li等[6 ] 的研究结果表明, Cu-Sn合金熔体结构转变对凝固组织细化起到关键作用. Wang等[7 ] 对Pb80 Sb20 合金液相线附近的过渡态现象进行了研究, 结果表明, 过共晶Pb80 Sb20 合金被加热至异常区后获得了细化的组织. Men等[8 ] 对Al-Si 合金剪切流作用下晶粒细化进行了研究, 发现在液相线以上较窄温度区间内对熔体施加强制对流, 可以提高非枝晶近球状长大的稳定性. 文献[9~11]报道了外场对凝固过程中的过冷度以及形核率的影响, 同样发现了外场可以起到细化晶粒组织的作用. Haghayeghi和Nastac[12 ] 发现在液相线以上温度区域施加剪切流可以细化AA7449铝合金组织. Zhang等[13 ] 分析了电磁场处理对液相线附近熔体凝固后组织以及屈服强度的影响, 研究结果表明, 电磁场的存在提高了凝固组织的均匀性以及凝固后铸件的屈服强度. Wannasin等[14 ] 研究结果表明, 对铝合金在液相线以上较低的温度施加强制对流, 可促进动力学形核. ...
1
2006
... 晶粒细化可以概括为增加形核率或抑制晶粒生长[4 ] . 当对熔体在特定温度区间施加外场时, 其凝固后组织得到明显细化[5 ] . 通过物理或化学法对金属熔体进行处理, 可以改变熔体的状态与结构, 从而达到“控构”和“控性”的目的. Li等[6 ] 的研究结果表明, Cu-Sn合金熔体结构转变对凝固组织细化起到关键作用. Wang等[7 ] 对Pb80 Sb20 合金液相线附近的过渡态现象进行了研究, 结果表明, 过共晶Pb80 Sb20 合金被加热至异常区后获得了细化的组织. Men等[8 ] 对Al-Si 合金剪切流作用下晶粒细化进行了研究, 发现在液相线以上较窄温度区间内对熔体施加强制对流, 可以提高非枝晶近球状长大的稳定性. 文献[9~11]报道了外场对凝固过程中的过冷度以及形核率的影响, 同样发现了外场可以起到细化晶粒组织的作用. Haghayeghi和Nastac[12 ] 发现在液相线以上温度区域施加剪切流可以细化AA7449铝合金组织. Zhang等[13 ] 分析了电磁场处理对液相线附近熔体凝固后组织以及屈服强度的影响, 研究结果表明, 电磁场的存在提高了凝固组织的均匀性以及凝固后铸件的屈服强度. Wannasin等[14 ] 研究结果表明, 对铝合金在液相线以上较低的温度施加强制对流, 可促进动力学形核. ...
1
2010
... 晶粒细化可以概括为增加形核率或抑制晶粒生长[4 ] . 当对熔体在特定温度区间施加外场时, 其凝固后组织得到明显细化[5 ] . 通过物理或化学法对金属熔体进行处理, 可以改变熔体的状态与结构, 从而达到“控构”和“控性”的目的. Li等[6 ] 的研究结果表明, Cu-Sn合金熔体结构转变对凝固组织细化起到关键作用. Wang等[7 ] 对Pb80 Sb20 合金液相线附近的过渡态现象进行了研究, 结果表明, 过共晶Pb80 Sb20 合金被加热至异常区后获得了细化的组织. Men等[8 ] 对Al-Si 合金剪切流作用下晶粒细化进行了研究, 发现在液相线以上较窄温度区间内对熔体施加强制对流, 可以提高非枝晶近球状长大的稳定性. 文献[9~11]报道了外场对凝固过程中的过冷度以及形核率的影响, 同样发现了外场可以起到细化晶粒组织的作用. Haghayeghi和Nastac[12 ] 发现在液相线以上温度区域施加剪切流可以细化AA7449铝合金组织. Zhang等[13 ] 分析了电磁场处理对液相线附近熔体凝固后组织以及屈服强度的影响, 研究结果表明, 电磁场的存在提高了凝固组织的均匀性以及凝固后铸件的屈服强度. Wannasin等[14 ] 研究结果表明, 对铝合金在液相线以上较低的温度施加强制对流, 可促进动力学形核. ...
2
2011
... 晶粒细化可以概括为增加形核率或抑制晶粒生长[4 ] . 当对熔体在特定温度区间施加外场时, 其凝固后组织得到明显细化[5 ] . 通过物理或化学法对金属熔体进行处理, 可以改变熔体的状态与结构, 从而达到“控构”和“控性”的目的. Li等[6 ] 的研究结果表明, Cu-Sn合金熔体结构转变对凝固组织细化起到关键作用. Wang等[7 ] 对Pb80 Sb20 合金液相线附近的过渡态现象进行了研究, 结果表明, 过共晶Pb80 Sb20 合金被加热至异常区后获得了细化的组织. Men等[8 ] 对Al-Si 合金剪切流作用下晶粒细化进行了研究, 发现在液相线以上较窄温度区间内对熔体施加强制对流, 可以提高非枝晶近球状长大的稳定性. 文献[9~11]报道了外场对凝固过程中的过冷度以及形核率的影响, 同样发现了外场可以起到细化晶粒组织的作用. Haghayeghi和Nastac[12 ] 发现在液相线以上温度区域施加剪切流可以细化AA7449铝合金组织. Zhang等[13 ] 分析了电磁场处理对液相线附近熔体凝固后组织以及屈服强度的影响, 研究结果表明, 电磁场的存在提高了凝固组织的均匀性以及凝固后铸件的屈服强度. Wannasin等[14 ] 研究结果表明, 对铝合金在液相线以上较低的温度施加强制对流, 可促进动力学形核. ...
... 原子团簇存在于液相线以上熔体中, 球晶存在于液相线以下熔体中[12 ] . 为了分析液相线附近熔体不同温度保温的形核机制, 对35 g较小试样进行实验验证. 图4为在液相线附近不同温度保温处理后的凝固组织. 由图4可知, 在液相线以上温度(1405 ℃)和液相线温度(1400 ℃)保温后的组织为均匀细小的球状晶粒, 其平均晶粒直径为40 μm. 这是由于液相线附近的合金熔体存在微观不均匀结构, 当这些结构尺寸达到1~10 nm时, 熔体中可形成稳定的原子团簇[23 ,24 ] . 在液相线温度附近形核的关键条件是获得与晶核润湿角非常小的固相基底, 准固相原子团簇与晶核有良好的“湿润”效果, 可以成为潜在晶核核心, 在后续凝固过程中可以作为异质形核的固相基底. 同时, 较小的过冷度和均匀的温度场的存在, 使得熔体发生瞬态形核, 且熔体中形核率得到提高, 所以铸锭凝固组织细化. 熔体在液相线以下温度保温后(1390 ℃), 凝固组织形貌大部分呈蔷薇型, 少量接近于球状(图4c), 并且蔷薇型晶粒组织与球状晶粒组织交叉分布. 电磁场产生的Peltier热电效应使熔体在浇注前或者整体凝固前以较小近球状晶粒组织存在, 已经形核的晶粒也不会以发达枝晶形式存在于熔体中. ...
3
2007
... 晶粒细化可以概括为增加形核率或抑制晶粒生长[4 ] . 当对熔体在特定温度区间施加外场时, 其凝固后组织得到明显细化[5 ] . 通过物理或化学法对金属熔体进行处理, 可以改变熔体的状态与结构, 从而达到“控构”和“控性”的目的. Li等[6 ] 的研究结果表明, Cu-Sn合金熔体结构转变对凝固组织细化起到关键作用. Wang等[7 ] 对Pb80 Sb20 合金液相线附近的过渡态现象进行了研究, 结果表明, 过共晶Pb80 Sb20 合金被加热至异常区后获得了细化的组织. Men等[8 ] 对Al-Si 合金剪切流作用下晶粒细化进行了研究, 发现在液相线以上较窄温度区间内对熔体施加强制对流, 可以提高非枝晶近球状长大的稳定性. 文献[9~11]报道了外场对凝固过程中的过冷度以及形核率的影响, 同样发现了外场可以起到细化晶粒组织的作用. Haghayeghi和Nastac[12 ] 发现在液相线以上温度区域施加剪切流可以细化AA7449铝合金组织. Zhang等[13 ] 分析了电磁场处理对液相线附近熔体凝固后组织以及屈服强度的影响, 研究结果表明, 电磁场的存在提高了凝固组织的均匀性以及凝固后铸件的屈服强度. Wannasin等[14 ] 研究结果表明, 对铝合金在液相线以上较低的温度施加强制对流, 可促进动力学形核. ...
... 当电磁场作用于近液相线熔体时, 可对其产生强制对流和热效应双重作用. 首先, 改善了液相线以上原子集团的大小、形状和分布, 为先期形核率提供了条件, 使较大原子团簇可以作为非均质形核核心[25 ] ; 其次, 使液相线以下已经形核的晶胚维持稳态近球形状态, 即提高了球晶稳定化半径[26 ,27 ] ; 第三, 电磁场产生的Peltier热电效应使二次枝晶臂得到钝化, 使已形成的枝晶向球状晶转变[13 ] . ...
... 研究[13 ] 表明, 电磁场产生的Peltier热电效应使枝晶向非枝晶转变. Peltier热效应使固/液界面上的凸出部分熔化, 从而使界面趋于光滑圆整. 其具体原理为, 在固/液界面区域, 固相与液相在成分及电导率上存在明显的差异, 固/液界面两相接触形成一个闭合回路. 液态金属的电导率比固态金属小, 固相为优先通道, 当电流通过导体时产生热量, 这一效应使熔体温度升高(过冷度减小)为: ...
1
2013
... 晶粒细化可以概括为增加形核率或抑制晶粒生长[4 ] . 当对熔体在特定温度区间施加外场时, 其凝固后组织得到明显细化[5 ] . 通过物理或化学法对金属熔体进行处理, 可以改变熔体的状态与结构, 从而达到“控构”和“控性”的目的. Li等[6 ] 的研究结果表明, Cu-Sn合金熔体结构转变对凝固组织细化起到关键作用. Wang等[7 ] 对Pb80 Sb20 合金液相线附近的过渡态现象进行了研究, 结果表明, 过共晶Pb80 Sb20 合金被加热至异常区后获得了细化的组织. Men等[8 ] 对Al-Si 合金剪切流作用下晶粒细化进行了研究, 发现在液相线以上较窄温度区间内对熔体施加强制对流, 可以提高非枝晶近球状长大的稳定性. 文献[9~11]报道了外场对凝固过程中的过冷度以及形核率的影响, 同样发现了外场可以起到细化晶粒组织的作用. Haghayeghi和Nastac[12 ] 发现在液相线以上温度区域施加剪切流可以细化AA7449铝合金组织. Zhang等[13 ] 分析了电磁场处理对液相线附近熔体凝固后组织以及屈服强度的影响, 研究结果表明, 电磁场的存在提高了凝固组织的均匀性以及凝固后铸件的屈服强度. Wannasin等[14 ] 研究结果表明, 对铝合金在液相线以上较低的温度施加强制对流, 可促进动力学形核. ...
1
2007
... 目前, 对电磁场下细晶铸造的研究主要集中于电磁场对合金凝固过程中晶粒长大过程的影响[15 ,16 ] . 已有研究[17 ] 表明凝固前原子团簇以及晶胚对凝固组织有着重要的影响. 然而, 电磁场影响液相线附近熔体结构及球晶稳定化, 由此引起形核率及枝晶形貌改变的问题缺乏深入研究. 为此, 本工作选取Ni-20Cr-18W (质量分数, %)[18 ] 高温合金为研究对象, 对高温合金熔体在液相线附近电磁场处理对凝固组织的影响进行分析, 同时考虑了电磁场下强制对流以及热效应双重作用, 从电磁场影响原子团簇、固/液界面稳定性以及树枝晶向球状晶转变角度, 揭示非枝晶组织的形成机制, 为进一步开发液相线铸造技术提供一定的理论依据. ...
1
2000
... 目前, 对电磁场下细晶铸造的研究主要集中于电磁场对合金凝固过程中晶粒长大过程的影响[15 ,16 ] . 已有研究[17 ] 表明凝固前原子团簇以及晶胚对凝固组织有着重要的影响. 然而, 电磁场影响液相线附近熔体结构及球晶稳定化, 由此引起形核率及枝晶形貌改变的问题缺乏深入研究. 为此, 本工作选取Ni-20Cr-18W (质量分数, %)[18 ] 高温合金为研究对象, 对高温合金熔体在液相线附近电磁场处理对凝固组织的影响进行分析, 同时考虑了电磁场下强制对流以及热效应双重作用, 从电磁场影响原子团簇、固/液界面稳定性以及树枝晶向球状晶转变角度, 揭示非枝晶组织的形成机制, 为进一步开发液相线铸造技术提供一定的理论依据. ...
1
2002
... 目前, 对电磁场下细晶铸造的研究主要集中于电磁场对合金凝固过程中晶粒长大过程的影响[15 ,16 ] . 已有研究[17 ] 表明凝固前原子团簇以及晶胚对凝固组织有着重要的影响. 然而, 电磁场影响液相线附近熔体结构及球晶稳定化, 由此引起形核率及枝晶形貌改变的问题缺乏深入研究. 为此, 本工作选取Ni-20Cr-18W (质量分数, %)[18 ] 高温合金为研究对象, 对高温合金熔体在液相线附近电磁场处理对凝固组织的影响进行分析, 同时考虑了电磁场下强制对流以及热效应双重作用, 从电磁场影响原子团簇、固/液界面稳定性以及树枝晶向球状晶转变角度, 揭示非枝晶组织的形成机制, 为进一步开发液相线铸造技术提供一定的理论依据. ...
1
2002
... 目前, 对电磁场下细晶铸造的研究主要集中于电磁场对合金凝固过程中晶粒长大过程的影响[15 ,16 ] . 已有研究[17 ] 表明凝固前原子团簇以及晶胚对凝固组织有着重要的影响. 然而, 电磁场影响液相线附近熔体结构及球晶稳定化, 由此引起形核率及枝晶形貌改变的问题缺乏深入研究. 为此, 本工作选取Ni-20Cr-18W (质量分数, %)[18 ] 高温合金为研究对象, 对高温合金熔体在液相线附近电磁场处理对凝固组织的影响进行分析, 同时考虑了电磁场下强制对流以及热效应双重作用, 从电磁场影响原子团簇、固/液界面稳定性以及树枝晶向球状晶转变角度, 揭示非枝晶组织的形成机制, 为进一步开发液相线铸造技术提供一定的理论依据. ...
1
2009
... 目前, 对电磁场下细晶铸造的研究主要集中于电磁场对合金凝固过程中晶粒长大过程的影响[15 ,16 ] . 已有研究[17 ] 表明凝固前原子团簇以及晶胚对凝固组织有着重要的影响. 然而, 电磁场影响液相线附近熔体结构及球晶稳定化, 由此引起形核率及枝晶形貌改变的问题缺乏深入研究. 为此, 本工作选取Ni-20Cr-18W (质量分数, %)[18 ] 高温合金为研究对象, 对高温合金熔体在液相线附近电磁场处理对凝固组织的影响进行分析, 同时考虑了电磁场下强制对流以及热效应双重作用, 从电磁场影响原子团簇、固/液界面稳定性以及树枝晶向球状晶转变角度, 揭示非枝晶组织的形成机制, 为进一步开发液相线铸造技术提供一定的理论依据. ...
1
1975
... 图1c结果表明, 沿铸锭径向方向由边缘到中心部的组织均为近球状晶形貌, 平均晶粒尺寸d=127 mm. 且铸锭中无明显三晶区. 这是由于电磁场作用于液相线附近60 kg熔体时, 使得熔体内存在大量的近程有序排列的准固态原子集团和近球状晶粒[19 ,20 ] , 此状态的熔体在一定过冷度下, 将迅速长大变成稳定的结晶核心, 发生内生形核的同时开始凝固, 最后形成球状晶粒. 图1c中No.4的组织呈枝晶形貌, 这是由于60 kg熔体三维体积较大, 浇注入铸模中后, 熔体脱离电磁场作用, 其温度场存在一定的不均匀分布, 导致铸锭凝固后中间部分组织呈现未完全球化的枝晶形貌. 为了真实全面地反映不同区域晶粒组织和方便查看对应的晶粒尺寸, 对传统铸造凝固过程中容易产生柱状晶区的图1b中No.2与No.3试样进行EBSD分析, 结果如图2所示, 图2中不同颜色代表不同晶粒取向. 对于fcc结构的Ni-20Cr-18W高温合金而言, <001>方向的晶粒在竞争生长过程中具有最大生长优势. 而图2结果表明, No.2与No.3试样形成了细小且随机分布的球状晶, 无择优取向; No.2试样平均晶粒尺寸d=116 μm, No.3试样平均晶粒尺寸d=132 μm, 且大部分两相邻晶粒的位向差大于15°. 这是由于电磁场作用于熔体时, 熔体温度场和溶质场分布均匀, 晶体长大行为无明显的方向性[21 ] , 即晶粒无择优生成方向. ...
1
2009
... 图1c结果表明, 沿铸锭径向方向由边缘到中心部的组织均为近球状晶形貌, 平均晶粒尺寸d=127 mm. 且铸锭中无明显三晶区. 这是由于电磁场作用于液相线附近60 kg熔体时, 使得熔体内存在大量的近程有序排列的准固态原子集团和近球状晶粒[19 ,20 ] , 此状态的熔体在一定过冷度下, 将迅速长大变成稳定的结晶核心, 发生内生形核的同时开始凝固, 最后形成球状晶粒. 图1c中No.4的组织呈枝晶形貌, 这是由于60 kg熔体三维体积较大, 浇注入铸模中后, 熔体脱离电磁场作用, 其温度场存在一定的不均匀分布, 导致铸锭凝固后中间部分组织呈现未完全球化的枝晶形貌. 为了真实全面地反映不同区域晶粒组织和方便查看对应的晶粒尺寸, 对传统铸造凝固过程中容易产生柱状晶区的图1b中No.2与No.3试样进行EBSD分析, 结果如图2所示, 图2中不同颜色代表不同晶粒取向. 对于fcc结构的Ni-20Cr-18W高温合金而言, <001>方向的晶粒在竞争生长过程中具有最大生长优势. 而图2结果表明, No.2与No.3试样形成了细小且随机分布的球状晶, 无择优取向; No.2试样平均晶粒尺寸d=116 μm, No.3试样平均晶粒尺寸d=132 μm, 且大部分两相邻晶粒的位向差大于15°. 这是由于电磁场作用于熔体时, 熔体温度场和溶质场分布均匀, 晶体长大行为无明显的方向性[21 ] , 即晶粒无择优生成方向. ...
1
2011
... 图1c结果表明, 沿铸锭径向方向由边缘到中心部的组织均为近球状晶形貌, 平均晶粒尺寸d=127 mm. 且铸锭中无明显三晶区. 这是由于电磁场作用于液相线附近60 kg熔体时, 使得熔体内存在大量的近程有序排列的准固态原子集团和近球状晶粒[19 ,20 ] , 此状态的熔体在一定过冷度下, 将迅速长大变成稳定的结晶核心, 发生内生形核的同时开始凝固, 最后形成球状晶粒. 图1c中No.4的组织呈枝晶形貌, 这是由于60 kg熔体三维体积较大, 浇注入铸模中后, 熔体脱离电磁场作用, 其温度场存在一定的不均匀分布, 导致铸锭凝固后中间部分组织呈现未完全球化的枝晶形貌. 为了真实全面地反映不同区域晶粒组织和方便查看对应的晶粒尺寸, 对传统铸造凝固过程中容易产生柱状晶区的图1b中No.2与No.3试样进行EBSD分析, 结果如图2所示, 图2中不同颜色代表不同晶粒取向. 对于fcc结构的Ni-20Cr-18W高温合金而言, <001>方向的晶粒在竞争生长过程中具有最大生长优势. 而图2结果表明, No.2与No.3试样形成了细小且随机分布的球状晶, 无择优取向; No.2试样平均晶粒尺寸d=116 μm, No.3试样平均晶粒尺寸d=132 μm, 且大部分两相邻晶粒的位向差大于15°. 这是由于电磁场作用于熔体时, 熔体温度场和溶质场分布均匀, 晶体长大行为无明显的方向性[21 ] , 即晶粒无择优生成方向. ...
1
2012
... Zuo等[22 ] 研究了有无电磁场条件下温度场的分布, 发现电磁场产生的强制对流使熔体温度场更均匀. 大体积熔体温度场分布亦符合上述规律, 但对电磁场作用下大体积熔体在液相线附近的温度场分布还少见报道, 且温度场分布对晶粒细化机制分析有重要影响. 利用ANSYS有限元软件对电磁场、流场、温度场进行耦合, 模拟了2500 Hz条件下60 kg熔体在液相线附近均匀保温的温度场分布, 如图3所示, 其中图3a为沿60 kg铸锭轴线切除的横截面取样示意图. 由图3可知, 熔体中部(曲线1和6)处于均匀的高温区域, 熔体内最高温度处于熔体的中心部位, 在液相线以上5 ℃左右, 为原子团簇存在的温度区间. 由于熔体表面散热过快, 熔体边缘部位(曲线3和4)处于低温区域, 在液相线以下6 ℃左右. 除熔体表面外, 大部分熔体温度均集中在1395~1406 ℃之间, 熔体最大温差为11 ℃. 模拟结果表明, 在电磁场作用下的60 kg熔体内, 同时存在液相线以上高温区和液相线以下低温区. ...
1
2009
... 原子团簇存在于液相线以上熔体中, 球晶存在于液相线以下熔体中[12 ] . 为了分析液相线附近熔体不同温度保温的形核机制, 对35 g较小试样进行实验验证. 图4为在液相线附近不同温度保温处理后的凝固组织. 由图4可知, 在液相线以上温度(1405 ℃)和液相线温度(1400 ℃)保温后的组织为均匀细小的球状晶粒, 其平均晶粒直径为40 μm. 这是由于液相线附近的合金熔体存在微观不均匀结构, 当这些结构尺寸达到1~10 nm时, 熔体中可形成稳定的原子团簇[23 ,24 ] . 在液相线温度附近形核的关键条件是获得与晶核润湿角非常小的固相基底, 准固相原子团簇与晶核有良好的“湿润”效果, 可以成为潜在晶核核心, 在后续凝固过程中可以作为异质形核的固相基底. 同时, 较小的过冷度和均匀的温度场的存在, 使得熔体发生瞬态形核, 且熔体中形核率得到提高, 所以铸锭凝固组织细化. 熔体在液相线以下温度保温后(1390 ℃), 凝固组织形貌大部分呈蔷薇型, 少量接近于球状(图4c), 并且蔷薇型晶粒组织与球状晶粒组织交叉分布. 电磁场产生的Peltier热电效应使熔体在浇注前或者整体凝固前以较小近球状晶粒组织存在, 已经形核的晶粒也不会以发达枝晶形式存在于熔体中. ...
1
2009
... 原子团簇存在于液相线以上熔体中, 球晶存在于液相线以下熔体中[12 ] . 为了分析液相线附近熔体不同温度保温的形核机制, 对35 g较小试样进行实验验证. 图4为在液相线附近不同温度保温处理后的凝固组织. 由图4可知, 在液相线以上温度(1405 ℃)和液相线温度(1400 ℃)保温后的组织为均匀细小的球状晶粒, 其平均晶粒直径为40 μm. 这是由于液相线附近的合金熔体存在微观不均匀结构, 当这些结构尺寸达到1~10 nm时, 熔体中可形成稳定的原子团簇[23 ,24 ] . 在液相线温度附近形核的关键条件是获得与晶核润湿角非常小的固相基底, 准固相原子团簇与晶核有良好的“湿润”效果, 可以成为潜在晶核核心, 在后续凝固过程中可以作为异质形核的固相基底. 同时, 较小的过冷度和均匀的温度场的存在, 使得熔体发生瞬态形核, 且熔体中形核率得到提高, 所以铸锭凝固组织细化. 熔体在液相线以下温度保温后(1390 ℃), 凝固组织形貌大部分呈蔷薇型, 少量接近于球状(图4c), 并且蔷薇型晶粒组织与球状晶粒组织交叉分布. 电磁场产生的Peltier热电效应使熔体在浇注前或者整体凝固前以较小近球状晶粒组织存在, 已经形核的晶粒也不会以发达枝晶形式存在于熔体中. ...
1
2013
... 原子团簇存在于液相线以上熔体中, 球晶存在于液相线以下熔体中[12 ] . 为了分析液相线附近熔体不同温度保温的形核机制, 对35 g较小试样进行实验验证. 图4为在液相线附近不同温度保温处理后的凝固组织. 由图4可知, 在液相线以上温度(1405 ℃)和液相线温度(1400 ℃)保温后的组织为均匀细小的球状晶粒, 其平均晶粒直径为40 μm. 这是由于液相线附近的合金熔体存在微观不均匀结构, 当这些结构尺寸达到1~10 nm时, 熔体中可形成稳定的原子团簇[23 ,24 ] . 在液相线温度附近形核的关键条件是获得与晶核润湿角非常小的固相基底, 准固相原子团簇与晶核有良好的“湿润”效果, 可以成为潜在晶核核心, 在后续凝固过程中可以作为异质形核的固相基底. 同时, 较小的过冷度和均匀的温度场的存在, 使得熔体发生瞬态形核, 且熔体中形核率得到提高, 所以铸锭凝固组织细化. 熔体在液相线以下温度保温后(1390 ℃), 凝固组织形貌大部分呈蔷薇型, 少量接近于球状(图4c), 并且蔷薇型晶粒组织与球状晶粒组织交叉分布. 电磁场产生的Peltier热电效应使熔体在浇注前或者整体凝固前以较小近球状晶粒组织存在, 已经形核的晶粒也不会以发达枝晶形式存在于熔体中. ...
1
2013
... 原子团簇存在于液相线以上熔体中, 球晶存在于液相线以下熔体中[12 ] . 为了分析液相线附近熔体不同温度保温的形核机制, 对35 g较小试样进行实验验证. 图4为在液相线附近不同温度保温处理后的凝固组织. 由图4可知, 在液相线以上温度(1405 ℃)和液相线温度(1400 ℃)保温后的组织为均匀细小的球状晶粒, 其平均晶粒直径为40 μm. 这是由于液相线附近的合金熔体存在微观不均匀结构, 当这些结构尺寸达到1~10 nm时, 熔体中可形成稳定的原子团簇[23 ,24 ] . 在液相线温度附近形核的关键条件是获得与晶核润湿角非常小的固相基底, 准固相原子团簇与晶核有良好的“湿润”效果, 可以成为潜在晶核核心, 在后续凝固过程中可以作为异质形核的固相基底. 同时, 较小的过冷度和均匀的温度场的存在, 使得熔体发生瞬态形核, 且熔体中形核率得到提高, 所以铸锭凝固组织细化. 熔体在液相线以下温度保温后(1390 ℃), 凝固组织形貌大部分呈蔷薇型, 少量接近于球状(图4c), 并且蔷薇型晶粒组织与球状晶粒组织交叉分布. 电磁场产生的Peltier热电效应使熔体在浇注前或者整体凝固前以较小近球状晶粒组织存在, 已经形核的晶粒也不会以发达枝晶形式存在于熔体中. ...
1
2009
... 当电磁场作用于近液相线熔体时, 可对其产生强制对流和热效应双重作用. 首先, 改善了液相线以上原子集团的大小、形状和分布, 为先期形核率提供了条件, 使较大原子团簇可以作为非均质形核核心[25 ] ; 其次, 使液相线以下已经形核的晶胚维持稳态近球形状态, 即提高了球晶稳定化半径[26 ,27 ] ; 第三, 电磁场产生的Peltier热电效应使二次枝晶臂得到钝化, 使已形成的枝晶向球状晶转变[13 ] . ...
1
2006
... 当电磁场作用于近液相线熔体时, 可对其产生强制对流和热效应双重作用. 首先, 改善了液相线以上原子集团的大小、形状和分布, 为先期形核率提供了条件, 使较大原子团簇可以作为非均质形核核心[25 ] ; 其次, 使液相线以下已经形核的晶胚维持稳态近球形状态, 即提高了球晶稳定化半径[26 ,27 ] ; 第三, 电磁场产生的Peltier热电效应使二次枝晶臂得到钝化, 使已形成的枝晶向球状晶转变[13 ] . ...
1
2010
... 当电磁场作用于近液相线熔体时, 可对其产生强制对流和热效应双重作用. 首先, 改善了液相线以上原子集团的大小、形状和分布, 为先期形核率提供了条件, 使较大原子团簇可以作为非均质形核核心[25 ] ; 其次, 使液相线以下已经形核的晶胚维持稳态近球形状态, 即提高了球晶稳定化半径[26 ,27 ] ; 第三, 电磁场产生的Peltier热电效应使二次枝晶臂得到钝化, 使已形成的枝晶向球状晶转变[13 ] . ...
1
2002
... 在液相线以上较窄温度区间内的熔体, 原子集团的尺寸相对较大, 原子集团的大小、数量与分布都较为均匀, 宏观上表现为, 熔体中温度场和浓度场都比较均匀, 微观上溶质场相对稳定. 当电磁场作用于熔体时, 加快了原子集团的游动速率(扩散速率增大), 增加了相互碰撞与结合的次数, 使原子集团形状和分布更加均匀, 同时电磁场使熔体温度场和浓度场更加均匀. 随着温度的进一步降低, 这些原子集团在相起伏下易于达到临界形核半径, 形成稳定的晶胚[28 ] . 可见, 电磁场的存在增大了形核初期熔体中有效结晶核心的数量, 为形核率的提高创造了条件. ...
1
2002
... 在液相线以上较窄温度区间内的熔体, 原子集团的尺寸相对较大, 原子集团的大小、数量与分布都较为均匀, 宏观上表现为, 熔体中温度场和浓度场都比较均匀, 微观上溶质场相对稳定. 当电磁场作用于熔体时, 加快了原子集团的游动速率(扩散速率增大), 增加了相互碰撞与结合的次数, 使原子集团形状和分布更加均匀, 同时电磁场使熔体温度场和浓度场更加均匀. 随着温度的进一步降低, 这些原子集团在相起伏下易于达到临界形核半径, 形成稳定的晶胚[28 ] . 可见, 电磁场的存在增大了形核初期熔体中有效结晶核心的数量, 为形核率的提高创造了条件. ...
1
1974
... 电磁场产生的强制对流有利于提高固/液界面的稳定性, 促进凝固组织球晶稳定性. 其中, 晶核球状稳定生长动力学判据[29 ] 如式(1)所示: ...
1
1989
... 周期性的流动使得扰动前沿局部存在溶质富集, 而与溶质分布类似的温度分布也会在界面前沿形成正温度梯度. 实际熔体中界面前沿温度边界层的厚度远大于浓度边界层厚度[30 ] , 且电磁场的存在进一步减小了温度和浓度边界层厚度, 由式(1)可知, 电磁场扰动能够抑制界面前沿成分过冷, 使其界面前沿过冷度减小. 从而提高界面稳定性, 增大球状晶临界稳定半径. ...
1
1989
... 周期性的流动使得扰动前沿局部存在溶质富集, 而与溶质分布类似的温度分布也会在界面前沿形成正温度梯度. 实际熔体中界面前沿温度边界层的厚度远大于浓度边界层厚度[30 ] , 且电磁场的存在进一步减小了温度和浓度边界层厚度, 由式(1)可知, 电磁场扰动能够抑制界面前沿成分过冷, 使其界面前沿过冷度减小. 从而提高界面稳定性, 增大球状晶临界稳定半径. ...
1
2011
... 图3结果表明, 60 kg熔体在电磁场作用下保温时, 存在液相线以上和液相线以下区域, 是一种原子团簇与球晶共存的熔体(图6), 且两者处于一个动态平衡状态. 图6中虚线圆形部分内部为溶质抑制形核区, 亦称为抑制成分过冷区[31 ] . 当60 kg熔体在液相线保温时, 当液相线以上区域的原子团簇运动到溶质抑制形核区时, 这些原子团簇不能成为新的形核核心. 而当其运动到溶质抑制形核区以外时, 这些原子团簇能成为新的形核核心, 进而发展为新的球状晶粒. ...
, 王军, 杨劼人, 李金山
