金属间化合物相固溶度对相生长及包晶凝固行为的影响

The intermetallic compound phases (IMCs) can be classified into two different categories: the ones with nil solubility range and the ones with specific solubility range. In previous study, the applicant has found that the solubility range of IMC had important influence on the solidification behaviours of peritectic alloys containing IMCs. The IMCs with specific solubility range possess both “faceted substructure” and “non-faceted solid/liquid interface” during solidification. Besides, non-equilibrium solidification microstructures are also obtained through coupling interactions of temperature gradient, cooling rate and melt convection etc.. However, the present analyses on solidification behaviours of peritectic alloys containing IMCs often neglect the solidification characteristics of IMCs with nil/specific solubility range. In addition, extensive analysis is still needed to understand the formation of the non-equilibrium solidification microstructures mentioned above. Therefore, different binary peritectic alloys and the ternary Cu-Ni-Sn alloy are selected. First, the phase selection models for peritectic alloys containing IMCs with nil/specific solubility range will be established by coupling the solidification characteristics of IMCs with nil/specific solubility range. Furthermore, the kinetic model of peritectic solidification for peritectic alloys containing the IMCs with nil/specific solubility range will be constructed through coupling the factors such as temperature gradient, cooling rate, solidification characteristics of IMCs with nil/specific solubility range and melt convection, ect.. Thus, the solidification behaviours of peritectic alloys containing IMCs with nil/specific solubility range can be more deeply understood. Theoretical basis of important theoretical and practical significance can also be constructed to control the microstructure of peritectic alloys through these achievements of this project.

金属间化合物相可根据其固溶度分为无固溶度与有固溶度两类。申请人在前期研究中发现固溶度对含金属间化合物相包晶合金凝固行为有重要影响。有固溶度金属间化合物相在凝固时兼具“小平面亚结构”与“非小平面”固液界面。而温度梯度、冷却速率及熔体对流等因素的耦合作用在含金属间化合物相的包晶合金中形成一系列非平衡凝固组织。但目前对于含金属间化合物相包晶合金凝固的研究往往忽略有/无固溶度金属间化合物相自身凝固特征；同时对上述非平衡凝固组织形成规律仍需深入分析。因此，本项目选择不同二元包晶合金及三元Cu-Ni-Sn合金为研究对象。通过耦合金属间化合物相凝固特性，构建含有/无固溶度金属间化合物相包晶合金的相选择模型；之后耦合温度梯度、冷却速率、有/无固溶度金属间化合物相凝固特性及熔体对流等因素，构建包晶凝固动力学模型。项目成果为深入理解含金属间化合物相包晶合金凝固行为及其组织控制提供依据，具有重要理论和实际意义。

金属间化合物相可根据其固溶度分为无固溶度与有固溶度两类。申请人在前期研究中发现.固溶度对含金属间化合物相包晶合金凝固行为有重要影响。有固溶度金属间化合物相在凝固时兼具“小平面亚结构”与“非小平面”固液界面。而温度梯度、冷却速率及熔体对流等因素的耦合作用在含金属间化合物相的包晶合金中形成一系列非平衡凝固组织。但目前对于含金属间化合物相包晶合金凝固的研究往往忽略有/无固溶度金属间化合物相自身凝固特征；同时对上述非平衡凝固组织形成规律仍需深入分析。因此，本项目选择不同二元包晶合金为研究对象。在研究中发现金属间化合物相的固溶度是区分不同金属间化合物相，同时能很好反映金属间化合物相凝固特性的重要参数。因此，本项目通过将金属间化合物相的诸如固溶度凝固特性与生长速率等凝固参数耦合，构建含有/无固溶度金属间化合物相包晶合金的相选择模型；之后针对多因素复杂条件下包晶合金的定向凝固过程，耦合温度梯度、冷却速率、有/无固溶度金属间化合物相凝固特性及熔体对流等因素，构建包晶凝固动力学模型。本项目中关于热溶质对流对包晶合金定向凝固过程的影响在近期工作中较为系统。热溶质对流对包晶合金的定向凝固过程有特殊的影响。通过比表面积SV，提出了基于Carman-Kozeny模型分析包晶合金定向凝固树枝晶糊状区流体渗透性的解析表达式。此外，与其他类型合金不同，在理论预测和实验结果中都发现了包晶反应后渗透率K的上升。基于渗透率的分析结果，通过提出新的Rayleigh表达式RaP，获得了符合包晶合金定向凝固过程的溶质Rayleigh数，较为圆满的解决了热溶质对流影响下包晶合金定向凝固过程中诸如雀斑等缺陷的形成及预测机制。本项目成果为深入理解含金属间化合物相包晶合金凝固行为及其组织控制提供依据，具有重要理论和实际意义。