含第三组元共晶合金定向凝固中生长界面形貌的演化

Growth interface morphology is an important influence factor for the solidification structures of materials. So the investigation of interface morphological evolution is an important part in the field of solidification theory. Amounts of researching results indicate that the anisotropies of interface energy and interface kinetics have decisive influence on the growth interface morphology of single-phase crystal: when the interface anisotropy is large the growth interface tends to grow with dendritic pattern;otherwise, with seaweed pattern. During the solidification of eutectic alloy, the eutectic growth interface is composed of two different phases, making the anisotropies of interface energy and interface kinetics more complicated.So far, however, the investigation about the influence of interface anisotropy on the eutectic growth interface morohpolgy is rare. This project plans to take Co-Sn and Ag-Cu eutectic alloys containing a third element as researching objects, and investigate the morphological evolution of growth interface in the directional solidification of them.The main contents include: (1) Explore the formation ang evolution processes of various eutectic growth interface morphologies in the directional solidification of binary eutectic alloys containing a third element; (2)Analyze the morphological evolution mechanisms of eutectic growth interface all sidedly from various factors, including solidification parameters, the third element, anisotropies of interface energy and interface kinetics.

晶体生长界面形貌是影响材料凝固组织的重要因素，因而其演化问题是凝固理论研究中的重点之一。大量研究表明，界面能及界面动力学各向异性对单相晶体生长形貌演化有决定性影响：界面各向异性强度大，则生长界面倾向于以树枝状形态生长；反之，则生长界面倾向于以海藻状形态生长。共晶合金以两相耦合方式凝固时，生长界面由两个不同相交替复合而成，导致其界面各向异性更加复杂。然而，迄今为止关于界面各向异性对共晶生长界面形貌演化影响的研究十分缺乏。本项目拟以含第三组元的Co-Sn以及Ag-Cu共晶合金为研究对象，研究它们在定向凝固过程中共晶生长界面形貌的演化问题。主要研究内容包括：（1）考察含第三组元共晶合金定向凝固中共晶生长界面形貌的形成及演化过程；（2）从凝固参数、第三组元、界面能及界面动力学各向异性出发，全面分析共晶生长界面形貌的演化机制。

凝固界面形态的形成是众多工艺因素和合金性质综合作用的结果，被认为是材料科学最为复杂的问题之一。相对于单相合金，共晶合金的凝固界面含有两个或更多的固相，人们对其演化行为的认识更为有限。前期研究工作中我们发现，Co-Sn共晶合金自由凝固时，其共晶界面以海藻状方式生长。为进一步认识此类凝固组织的形成规律与机制，本项目以Co-Sn共晶系合金为基础合金，Nb为添加组元，进行了深过冷凝固和定向凝固实验，考察了不同凝固工艺参数下凝固界面的演化情况。结果发现，α-Co/β-Co3Sn2共晶凝固界面形态更多受到β-Co3Sn2相的影响。随着合金中Nb含量的增加，过共晶Co-Sn合金自由凝固时初生β-Co3Sn2相的生长有从海藻晶向树枝晶，然后再向海藻晶转变的规律；相应地，共晶凝固界面也会从海藻状变为树枝状，但在更多Nb加入的情况下，分枝主干演变为双胞结构。相关合金进行定向凝固，失稳后的共晶凝固界面也以海藻状方式生长，但Nb的加入，有使共晶层片间距加大的趋势。计算了Nb加入后β-Co3Sn2相固液界面自由能各向异性强度的变化，测量了Nb在α-Co和β-Co3Sn2相中的溶质再分配系数，据此分析了各类凝固组织的成因。研究成果对于拓展人们对共晶凝固界面形态的认识、发展共晶凝固组织的调控手段具有积极的意义。