非平衡凝固反常共晶生长机理研究

共晶凝固涉及了大量技术上重要的金属和无机非金属材料，大多数高性能金属材料的制备及特种冶金加工技术都涉及到了极端非平衡的凝固过程。本项目致力于建立完善的非平衡凝固共晶形态选择理论，解决目前非平衡凝固反常共晶生长研究中涉及共晶两相生长行为方面的佯谬。为此，拟以金属共晶激光强制性凝固外延生长为主要研究手段，对比研究快速强制非平衡凝固外延生长和深过冷快速非平衡凝固的共晶生长行为，并以透明模型共晶合金快速定向凝固的实时观察做关键生长行为特征验证，重点针对非规则反常共晶生长过程中的共晶两相的晶体生长习性，取向相关性，共晶网络的形成等开展系统的研究，建立完善的非平衡凝固反常共晶生长的理论模型，期待通过这项研究从根本上解决这一悬而未决的共晶凝固基础理论问题，为促进非平衡凝固加工技术的发展奠定坚实的科学基础。

本项目以共晶研究体系中最为典型的Ni-Sn共晶系合金为主要研究对象，结合具有工程应用背景的Ti-Ni共晶系合金，研究了共晶合金激光熔凝/熔覆强制性凝固外延生长过程中的组织演化行为，同时对比研究Ni-Sn共晶合金快速强制非平衡凝固外延生长和深过冷快速非平衡凝固的组织演化特征，并以透明模型共晶合金定向凝固原位实时观察对共晶近快速凝固组织进行了对比分析，结合相场模型，系统分析了非规则反常共晶生长的晶体生长习性，取向相关性等组织特征及其形成机制，建立了描述非规则反常共晶生长的理论模型。取得的主要成果有：.1) 通过透明模型共晶合金定向凝固原位实时观察，发现共晶生长空间维数和尺度对共晶两相界面能各向异性在生长行为中的体现具有重要影响，进而显著影响共晶演化行为；揭示了共晶枝晶生长有可能是反常共晶形成的一个前兆，反常共晶耦合生长存在着可能性。.2) 首次在激光快速熔凝/熔覆条件下获得了Ni-Sn反常共晶组织，发现共晶两相耦合或者解耦生长都有可能产生反常共晶，快速自由生长条件的形成很可能是Ni-Sn共晶由规则的层片组织转变成非规则反常共晶组织的重要前提条件。.3) 揭示了Ni-Sn合金深过冷快速凝固的组织形成和相演化规律，发现，随着偏离共晶成分越远的合金，形成反常共晶的临界过冷度越大，共晶两相的体积分数对反常共晶的形成机制具有重要影响，并导致亚共晶合金和过共晶合金遵循不同的反常共晶形成机制。.4) 发现在同等生长过冷度下，激光快速熔凝外延生长和深过冷凝固条件下所获得的组织特征基本一致，但是，在快速外延凝固条件下，温度梯度对共晶生长行为的影响已不可忽略。.5) 发现二元Ti-Ni合金共晶凝固反常共晶的临界转变速度高于多元Ti-Ni基合金，获得了Ti-55wt.%Ni合金激光立体成形外延凝固反常共晶的演化规律。.6) 实现了层片共晶组织和反常共晶组织生长的相场法模拟，发现自由生长是实现反常共晶组织模拟的基本条件，与前述实验研究结果一致，并建立了描述非规则共晶凝固界面平均过冷度和平均特征尺度的理论模型。