Cu基液相调幅分解型合金凝固组织的演变机理及其控制

基于实验测定和热力学计算，建立几种Cu基合金体系的热力学数据库，预测体系调幅分解反应的温度和成分范围；在此基础上，对具有液相调幅分解反应的合金进行快速连续凝固和气体雾化凝固实验，研究其常规和快速冷却条件下的凝固特性、凝固组织自包裹复合机理和影响因素；建立液相调幅分解型合金凝固过程的相场(定性或半定量)和群体动力学(定量)模型，研究耦合求解凝固动力学模型、合金热力学数据、浓度场、流场和温度场的方法，模拟研究调幅分解型合金凝固组织演变过程，阐明自包裹核/壳结构凝固组织和弥散型凝固组织的形成机理、关键影响因素和控制方法；进而，应用所建立的模型和研究方法，系统研究在自包裹复合焊球和高强度、高导电触点材料方面有应用背景的两个液相调幅分解型合金系的凝固规律，提出通过合理设计合金成分和凝固工艺参数，获得不同的复合凝固组织、满足工业需求的方法，为液相调幅分解型合金的制备与应用奠定理论基础。

本研究主要通过合金法对Cu基液相调幅分解型合金系的相平衡及相变进行了实验测定，并利用CALPHAD方法对上述合金系的相图进行了热力学优化与计算，建立了Cu基液相调幅分解型合金相图热力学数据库。同时，本研究建立了液相调幅分解型合金凝固过程的相场和群体动力学模型，探明了自包裹核/壳结构凝固组织和弥散型凝固组织的形成机理、关键影响因素和控制方法。进而，在利用所建立的热力学数据库和模型进行合金设计的基础上，系统研究了自包裹复合焊球和高强度、高导电触点材料两个液相调幅分解型合金系的凝固规律。全面完成了计划研究内容。本研究的主要内容如下：.（1）通过合金法，利用显微组织观察、电子探针（EPMA）成分分析及差示扫描量热分析（DSC）等技术实验测定了Cu-Co基、Cu-Fe基、Cu-Cr基、Cu-Mo基以及Cu-V基共14个三元系的相平衡。基于本研究得到的实验结果，利用CALPHAD 技术对上述各三元系相图进行了热力学优化与计算，计算结果与实验数据吻合得较好。.（2）分析了液相调幅分解型合金凝固时两液相流动、传热、传质过程特性，建立了流场、温度场、浓度场控制方程及数值求解方法；建立了液相调幅分解型合金凝固过程组织演变的群体动力学模型；建立了多元合金枝晶型凝固组织形成过程的模型；研发了耦合求解温度场、浓度场、流场和合金热力学的模拟方法。对热力学参数较准确的Al-Pb-Sn系开展了气体雾化快速凝固实验与模拟，验证了所建模型及算法的正确性；对Cu-Co-Fe系、Cu-Cr-Fe系以及Cu-Bi-Sn系开展了相关快速凝固实验与模拟，揭示了上述合金系快速凝固组织形成机理。.（3）在利用多元液相调幅分解型合金系相图热力学数据库进行成分设计的基础上，在Cu-Co-Si-B体系中制备了一系列液相分离诱发晶体/非晶复合粉体；在Cu-Co-Ni-Ag-B体系中制备了金属/硼化物陶瓷的复合粉体。.（4）建立调幅分解型合金气体雾化快速凝固过程和薄膜沉积过程的相场模型，研发了耦合求解流场、温度场、浓度场、热力学函数模型的模拟方法。应用所建立的调幅分解型合金气相场模型分别模拟了Cu-Fe合金气体雾化条件下快速凝固过程和调幅分解型合金薄膜沉积过程。