包晶凝固的研究進(jìn)展

1、 首先析出首先析出相，相，以枝晶方式生長。以枝晶方式生長。在在相枝晶生長過相枝晶生長過程中組元程中組元B B在液相在液相中富集，液相成分中富集，液相成分沿相圖中的液相線沿相圖中的液相線變化。當(dāng)液相成分變化。當(dāng)液相成分達(dá)到達(dá)到Cp時發(fā)生時發(fā)生包晶包晶反應(yīng)反應(yīng): :LP+ + 。 相在相在相表面發(fā)生相表面發(fā)生異質(zhì)形核并很快沿異質(zhì)形核并很快沿表面生長，將表面生長，將相相包裹在中間。包裹在中間。 包晶凝固的三個階段包晶凝固的三個階段: :包晶反應(yīng)、包晶反應(yīng)、包晶轉(zhuǎn)變以及直接凝固包晶轉(zhuǎn)變以及直接凝固2 2、平衡凝固、平衡凝固kl:kl:a )a )過包晶過包晶b )b )包晶包晶c )c )亞包晶亞包晶

2、kDkmCVG) 1(/0 對于不同凝固參數(shù)下包晶合金將以什么樣的凝對于不同凝固參數(shù)下包晶合金將以什么樣的凝固界面形態(tài)發(fā)生凝固，可以采用成分過冷判據(jù)加固界面形態(tài)發(fā)生凝固，可以采用成分過冷判據(jù)加以分析和判斷。以分析和判斷。HillertHillert等基于最高界面生長溫度假設(shè)以及成分過等基于最高界面生長溫度假設(shè)以及成分過冷和充分形核判據(jù)，繪出了冷和充分形核判據(jù)，繪出了包晶合金定向凝固界包晶合金定向凝固界面形態(tài)與凝固參數(shù)及成分的相選擇圖面形態(tài)與凝固參數(shù)及成分的相選擇圖。依據(jù)成分過冷理論給出依據(jù)成分過冷理論給出相和相和相平界面失穩(wěn)臨界線相平界面失穩(wěn)臨界線oa,ob. oa,ob. 兩兩相皆為平界面生

3、長時，近似地取固相皆為平界面生長時，近似地取固相線溫度為界面溫度，當(dāng)合金成分相線溫度為界面溫度，當(dāng)合金成分低于低于C1C1時時,相具備較高的固相線相具備較高的固相線溫度，因而占據(jù)生長上的優(yōu)勢，據(jù)溫度，因而占據(jù)生長上的優(yōu)勢，據(jù)此可給出兩相平界面轉(zhuǎn)變的臨界條此可給出兩相平界面轉(zhuǎn)變的臨界條件件aeae線線; ; 兩相皆為胞枝晶界面生兩相皆為胞枝晶界面生長時，近似認(rèn)為兩相的生長過冷度長時，近似認(rèn)為兩相的生長過冷度相同，其界面生長溫度的差值與兩相同，其界面生長溫度的差值與兩液相線溫度差值相等，因此可通過液相線溫度差值相等，因此可通過直接比較液相線溫度高低來分析相直接比較液相線溫度高低來分析相選擇行為，得

4、出的結(jié)論是在低于選擇行為，得出的結(jié)論是在低于CPLCPL的成分范圍內(nèi)，的成分范圍內(nèi)，相胞枝晶應(yīng)相胞枝晶應(yīng)當(dāng)占據(jù)生長優(yōu)勢。據(jù)此可給出兩相當(dāng)占據(jù)生長優(yōu)勢。據(jù)此可給出兩相平界面轉(zhuǎn)變的臨界條件平界面轉(zhuǎn)變的臨界條件bdbd線線. .通通過比較過比較相胞枝晶和相胞枝晶和相平界面的相平界面的生長溫度，依據(jù)最高界面生長溫度生長溫度，依據(jù)最高界面生長溫度判據(jù)，給出其轉(zhuǎn)變臨界條件判據(jù)，給出其轉(zhuǎn)變臨界條件abab線線 . .假設(shè)合金成分假設(shè)合金成分C C。在純擴(kuò)散控制。在純擴(kuò)散控制條件下以平界面方式生長，初生條件下以平界面方式生長，初生相相首先從熔體中析出，界面前首先從熔體中析出，界面前沿溶質(zhì)沿溶質(zhì)B B的含量逐漸

5、增加，界面的含量逐漸增加，界面溫度沿圖中溫度沿圖中相液相線及其亞穩(wěn)相液相線及其亞穩(wěn)延伸線降低。若液相成分達(dá)到延伸線降低。若液相成分達(dá)到C Cn n時，時，相還未進(jìn)入穩(wěn)態(tài)生長相還未進(jìn)入穩(wěn)態(tài)生長階段，此時階段，此時相己經(jīng)具備生核條相己經(jīng)具備生核條件，因此將形核并開始生長。而件，因此將形核并開始生長。而當(dāng)當(dāng)相進(jìn)入生長階段后，由于相進(jìn)入生長階段后，由于相的成分高于合金原始成分，逐相的成分高于合金原始成分，逐漸消耗界面前沿富集的溶質(zhì)漸消耗界面前沿富集的溶質(zhì)B,B,降降低界面前沿溶質(zhì)富集程度，同時低界面前沿溶質(zhì)富集程度，同時界面溫度沿圖中界面溫度沿圖中相液相線及其相液相線及其亞穩(wěn)延伸線升高。若液相成分達(dá)亞

6、穩(wěn)延伸線升高。若液相成分達(dá)到到Cn 時，時，相還未進(jìn)入穩(wěn)態(tài)生相還未進(jìn)入穩(wěn)態(tài)生長階段此時長階段此時相已經(jīng)具備生核條相已經(jīng)具備生核條件并開始生長，如此形成一個封件并開始生長，如此形成一個封閉的溫度一成分變化循環(huán)，就導(dǎo)閉的溫度一成分變化循環(huán)，就導(dǎo)致了帶狀結(jié)構(gòu)的形成。致了帶狀結(jié)構(gòu)的形成。包晶低速帶狀結(jié)構(gòu)形成機(jī)理示意圖包晶低速帶狀結(jié)構(gòu)形成機(jī)理示意圖式中PP、pp為帶狀結(jié)構(gòu)中相應(yīng)相生長區(qū)的長度，為帶狀結(jié)構(gòu)中相應(yīng)相生長區(qū)的長度，K K K K 分別為分別為相和相和相相內(nèi)的平衡溶質(zhì)分配系數(shù)，內(nèi)的平衡溶質(zhì)分配系數(shù)，A AA A是與相圖參數(shù)以及各相生核過冷度相關(guān)的函數(shù)。對是與相圖參數(shù)以及各相生核過冷度相關(guān)的函數(shù)。

7、對于一個給定的合金系，于一個給定的合金系，A A A A僅與合金成分相關(guān)，由上式可以看出，僅與合金成分相關(guān)，由上式可以看出，帶狀結(jié)構(gòu)的帶狀結(jié)構(gòu)的特征尺度與擴(kuò)散長度（特征尺度與擴(kuò)散長度（D DL L/V)/V)成正比。成正比。KAVDLpln應(yīng)用應(yīng)用TillerTiller等在恒定速度條件下建立的短暫響應(yīng)方程，可以給等在恒定速度條件下建立的短暫響應(yīng)方程，可以給出一組公式來粗略說明帶狀結(jié)構(gòu)的尺度：出一組公式來粗略說明帶狀結(jié)構(gòu)的尺度：KAVDLpln上述分析均針對純擴(kuò)散控制的凝固過程進(jìn)行，同時也忽略了兩相交替上述分析均針對純擴(kuò)散控制的凝固過程進(jìn)行，同時也忽略了兩相交替形核過程中的暫態(tài)響應(yīng)過程。在實際

8、的定向凝固實驗中，總是不可避形核過程中的暫態(tài)響應(yīng)過程。在實際的定向凝固實驗中，總是不可避免地會引入對流的影響，從而改變界面前沿的溶質(zhì)積累條件，導(dǎo)致理免地會引入對流的影響，從而改變界面前沿的溶質(zhì)積累條件，導(dǎo)致理論模型與實際情況的偏差。論模型與實際情況的偏差。TrivediTrivedi和和ParkPark對不同尺寸坩堝中定向凝對不同尺寸坩堝中定向凝固獲得的試樣進(jìn)行了考察，發(fā)現(xiàn)減小試樣截面可以有效抑制對流，更固獲得的試樣進(jìn)行了考察，發(fā)現(xiàn)減小試樣截面可以有效抑制對流，更易于獲得帶狀結(jié)構(gòu)易于獲得帶狀結(jié)構(gòu); ;而在試樣截面面積較大時，往往發(fā)生不完全的相而在試樣截面面積較大時，往往發(fā)生不完全的相轉(zhuǎn)變，獲得

9、樹狀結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)變，獲得樹狀結(jié)構(gòu)。描述了過冷度描述了過冷度T T、片層、片層間距間距以及生長速度以及生長速度V V三三者之間的定量關(guān)系。在者之間的定量關(guān)系。在m m的絕對值小于的絕對值小于m m絕對絕對值，值，m m總為負(fù)值，而總為負(fù)值，而Q QL L恒恒為正，對于給定的片層為正，對于給定的片層間距間距以及生長速度以及生長速度V V，將出現(xiàn)負(fù)的過冷度，導(dǎo)將出現(xiàn)負(fù)的過冷度，導(dǎo)致界面溫度提升。致界面溫度提升。BoetingerBoetinger提出，在高于包晶溫提出，在高于包晶溫度的情況下，界面前沿可以形度的情況下，界面前沿可以形成了一種類似于共晶凝固情況成了一種類似于共晶凝固情況下的溶質(zhì)分布場，下的

10、溶質(zhì)分布場，即液相與即液相與相平衡的界面上相平衡的界面上B B組分的含量高組分的含量高于液相與于液相與相平衡的界面上相平衡的界面上B B組組分的含量分的含量; ;同時，固相中的成分同時，固相中的成分起伏與界面前沿的液相成分起起伏與界面前沿的液相成分起伏恰好相反，伏恰好相反，相固相相固相B B組分成組分成分低于分低于相固相成分并分居于相固相成分并分居于合金原始成分的兩側(cè)。這樣就合金原始成分的兩側(cè)。這樣就可以在共生生長界面前沿形成可以在共生生長界面前沿形成溶質(zhì)溶質(zhì)B B組分向組分向相前沿擴(kuò)散，而相前沿擴(kuò)散，而A A組分向組分向相前沿擴(kuò)散的局面，相前沿擴(kuò)散的局面，兩相通過溶質(zhì)場耦合并形成穩(wěn)兩相通過溶質(zhì)場耦合并形成穩(wěn)定的共生生長。定的共生生長。2 2、計算界面響應(yīng)函數(shù)、計算界面響應(yīng)函數(shù)將以上預(yù)測結(jié)果與將以上預(yù)測結(jié)果與VandycussefiVandycussefi等人采用等人采用Fe-NiFe-Ni合金進(jìn)行定向凝固的試驗結(jié)果進(jìn)行對比，可以看合金進(jìn)行定向凝固的試驗結(jié)果進(jìn)行對比，可以看出預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。出預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。凝固試驗（不同凝固條件）凝固試驗（不同凝固條件）熱分析熱分析顯維組織分析顯維組織分析成分微區(qū)分析成分微區(qū)分析相組成及結(jié)構(gòu)分析