液态包晶型Fe-Cu基合金中快速枝晶生长与亚稳相分离研究

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1、学校代码10699分类号TG111.4密级学号2011100588题目液态包晶型Fe-Cu基合金中快速枝晶生长与亚稳相分离研究作者夏瑱超学科、专业材料物理与化学指导教师魏炳波教授申请学位日期2016年11月西北工业大学博士学位论文(学位研究生)题目：液态包晶型Fe-Cu基合金中快速枝晶生长与亚稳相分离研究作者：夏瑱超学科专业：材料物理与化学指导教师：魏炳波教授西北工业大学应用物理系空间材料科学与技术重点实验室二零一六年十一月RapidDendriticGrowthandMetastablePhaseSeparationwithi

2、nLiquidPeritecticFe-CuBasedAlloysByXiaZhenchaoUndertheSupervisionofProfessorWeiBingboADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofdoctorofMaterialsPhysicsandChemistryLaboratoryofSpaceMaterialsScienceandT

3、echnologyDepartmentofAppliedPhysics,NorthwesternPolytechnicalUniversityXi’an,710072,P.R.ChinaNovember2016摘要摘要深过冷合金熔体的快速枝晶生长与亚稳相分离是空间材料科学领域的重要课题，对其进行系统研究不仅可以促进凝固理论的发展，还为实现新型亚稳合金材料的工业应用提供科学依据。本文分别采用电磁悬浮、熔体浸浮、自由落体及急冷凝固技术，对液态二元Fe-Cu和三元Fe-Cu-Ge以及Fe-Cu-Sn包晶合金的快速枝晶生长与亚稳相分离进

4、行了系统的实验研究，主要取得以下几方面成果：1.电磁悬浮条件下二元Fe-Cu包晶合金的快速枝晶生长机制采用落滴式量热计法研究了深过冷液态Fe-Cu包晶合金的比热。在实验宽广的温度范围内，液态Fe-Cu包晶合金的焓变随温度的升高而呈线性增大，其比热值均接近于定值。同时，利用分子动力学方法对Fe-Cu包晶合金的比热值进行了理论预测。此外，在实验测定比热的基础上，计算了Fe-Cu包晶合金的过剩比热、焓变、熵变、Gibbs自由能差、热扩散系数和热传导率。采用电磁悬浮熔凝技术研究了Fe-Cu包晶合金初生相的枝晶生长动力学过程。深过冷亚包晶

5、Fe93.5Cu6.5、包晶Fe92.8Cu7.2和过包晶Fe88.5Cu11.5合金在不同过冷度下的相组成均为Fe和(Cu)固溶体，三种合金所获得的最大过冷度分别为194K(0.11TL)、401K(0.23TL)和468K(0.27TL)。随着过冷度的增大，各合金初生相的枝晶生长速度均以幂函数形-1式增长并在最大过冷度时分别达4、69和68m·s。理论计算表明，对于亚包晶Fe93.5Cu6.5合金，初生δFe相枝晶生长主要受热扩散控制。而对于包晶Fe92.8Cu7.2合金和过包晶Fe88.5Cu11.5合金，随着过冷度的逐

6、步增大，初生δFe和Fe枝晶生长过程由溶质扩散控制到热扩散控制并最终受界面动力学效应控制。当过冷度足够大时，三种合金的快速凝固过程均接近于无偏析凝固。2.无容器条件下三元Fe-Cu-Ge包晶合金的枝晶生长研究在电磁悬浮条件下研究了深过冷三元Fe88.2Cu6.8Ge5和Fe84.1Cu10.9Ge5包晶合金的枝晶生长特征。XRD和SEM分析表明，两种合金在不同过冷度下均由Fe枝晶和(Cu)基底两相组成。两种合金初生相的枝晶生长速度均随着过冷度的增加而呈幂函数变化，并-1分别在282和255K时达到1.7和1.3m·s，其微观

7、组织均表现出显著的晶粒细化效应。采用自由落体技术研究了三元深过冷Fe-Cu-Ge包晶合金液滴的凝固组织演化规律。实验表明，三元Fe47.5Cu47.5Ge5和Fe45Cu45Ge10合金液滴均在快速凝固过程中发生了亚稳液相分离。随着液滴直径的减小，两种合金液滴的凝固组织分别由三层壳核和两层壳核组织转变为枝晶组织，凝固组织均由Fe和(Cu)相组成，初生相均为Fe相。三元Fe42.5Cu42.5Ge15合金液滴在凝固过程中没有发生亚稳液相分离，其凝固组织以枝晶为特I西北工业大学博士学位论文征，其相组成为Fe0.84Ge0.16、

8、Fe3Ge和(Cu)相，其中Fe0.84Ge0.16枝晶为初生相。实验结果表明，Ge含量的增加能够逐渐抑制亚稳液相分离。3.深过冷液态三元Fe-Cu-Sn包晶合金的亚稳相分离与组织演化规律在熔体浸浮条件下，三元Fe62.5Cu27.5Sn10包晶合金发生亚稳液相