【正文】 27 FeCoNiCrAl 合金定向凝固組織 27 固 /液界面形態(tài) 30 胞晶間距 31 理論分析 32 顯微硬度 34 體積凝固組織的顯微硬度 34 定向凝固組織的顯微硬度 35 本章小結(jié) 36 結(jié)論 36 致謝 37 參考文獻 38 附錄 1 計算機采集系統(tǒng) 39 附錄 2 溫度 熱電勢轉(zhuǎn)換程序 40 河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒論 課題背景 合金是由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成具有金屬特性的材料。由于單個純金屬性能的局限性，合金正得到越來越廣泛的應(yīng)用 [1]，幾千年來，隨著合金體系的發(fā)展，開發(fā)使用的合金系已達三十余種。目前的合金系統(tǒng)大多是以單一組元為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，例如鋼鐵材料和鋁合 金， Fe基、 Ni基、 Co基的超合金； 20世紀50年代發(fā)展的二元基金屬間化合物也是以 1～ 2種金屬為基礎(chǔ)的合金。非晶合金作為一種新型的合金具有優(yōu)良的特性和廣泛的應(yīng)用潛能，所以，其制備、 發(fā)展和應(yīng)用都得到了普遍 關(guān)注，但仍舊是以 1～ 2種金屬為基礎(chǔ)來發(fā)展的。阻礙合金向多元方向發(fā)展的主要原因是，合金中成分過多會形成金屬間化合物和復(fù)雜相，導(dǎo)致合金性能的惡化，給材料的組織和成分分析帶來一些困難。但是，如果主要元素增加到一定數(shù)量，合金顯微組織就會發(fā)生質(zhì)的變化，形成比較簡單的結(jié)構(gòu)甚至非晶質(zhì)，多主元高熵合金的出現(xiàn)證明了這一點 [2]。 多主元高熵合金是多種主要元素的合金，其中每種主要元素都具有較高的原子百分比，但每種元素的原子百分數(shù)不能超過 35%，也就是說這種合金是由多種元素集體起作用而表現(xiàn)出其特色。為了區(qū)別于傳統(tǒng)合金，且充分發(fā)揮多元素高混亂度效應(yīng)，高熵合金的主要元素數(shù)目 n≥5。熵是熱力學(xué)上代表混亂度的一個參數(shù)，混亂度越大，熵就越大。高混合熵不但能夠簡化多主元高熵合金的顯微結(jié)構(gòu)，而且還能使顯微結(jié)構(gòu)納米化甚至非晶化，這種與傳統(tǒng)合金迥異的顯微結(jié)構(gòu)使高熵合金擁有獨特的機械性能、物理性能 (光、電、磁、熱 )和化學(xué)性能，進而使得相比于趨于飽和的傳 統(tǒng)合金體系，高熵合金具有很大的應(yīng)用潛力 [3]。 近年來，對多主元高熵合金的研究成果主要有 [4]：多元高功能合金鍍膜性能研究；多主元高熵合金相圖模擬研究； FeCoNiAlCrCu多主元高熵合金的高溫氧化與高溫漸變研究；多主元高功能合金微結(jié)構(gòu)研究；多主元高性能合金清凈化研究；多主元高熵合金納米組織操控技術(shù)研究；多主元高河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 2 熵合金熔鑄與鍛壓技術(shù)開發(fā)研究；多種元素高熵合金 AlCoCrCuFeNi微觀結(jié)構(gòu)特點的研究、系列機械性能的研究；多主元高熵合金 AlTiFeNiCuCrx微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等；面心立方結(jié)構(gòu)的高熵合金 素后的抗磨損性能及高溫壓縮性能研究；高熵合金 釩元素對其微觀結(jié)構(gòu)、硬度、抗腐蝕性能的影響等 [5]。 傳統(tǒng)合金的發(fā)展已經(jīng)趨于飽和，突破以一種或者兩種元素為主的傳統(tǒng)發(fā)展框架已是冶金學(xué)家追求的一個目標。高熵合金就是在這樣的背景下發(fā)展起來的。但至今，對高熵合金無論是理論還是試驗的研究都非常少。人們對其合金化的機理以及其中涉及到的諸多科學(xué)問題基本還沒有什么認識 [6]。實際上 ,現(xiàn)在出現(xiàn)的一些高熵合金體系也只是通過“雞尾酒”方法調(diào)配而成，還沒有科學(xué)系統(tǒng) 的選擇合金元素的理論。另外 ,對它們凝固后的組織形成以及各種物理化學(xué)性能都還沒有清晰的認識。高熵合金的研究具有前瞻性 ,具有學(xué)術(shù)研究及應(yīng)用價值。由于應(yīng)用潛力多元化 ,面對的產(chǎn)業(yè)也多元化。因此 ,傳統(tǒng)合金工業(yè)的升級及高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也將為高熵合金開辟廣闊的發(fā)展空間 ,對傳統(tǒng)冶金和鋼鐵行業(yè)的提升具有重要意義 [7]。 定向凝固技術(shù)發(fā)展與研究現(xiàn)狀 定向凝固技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用 定向凝固是在凝固過程中采用強制手段，在凝固金屬和未凝固熔體中建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，獲得具有特定取向柱 狀晶的技術(shù) [8]。定向凝固技術(shù)可以較好地控制凝固組織的晶粒取向，消除橫向晶界，獲得柱狀晶或單晶組織，提高材料的縱向力學(xué)性能，因而自它誕生以來得到了迅速發(fā)展。 熱流的控制是定向凝固技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)，獲得并保持定向熱流是定向凝固成功的重要保證。伴隨著對熱流控制技術(shù)的發(fā)展，定向凝固技術(shù)得到了長足的發(fā)展。 (1)傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)及存在的弊端 傳統(tǒng)的定向凝固技術(shù)主要有發(fā)熱劑法 （ EP法）、功率降低法（ PD法 ） 、河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 3 快速凝固法（ HRS法）和液態(tài)金屬冷卻法（ LMC法）等。傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)的主要缺點是冷卻速度慢，這樣就使凝固組織 有充分的時間長大、粗化、以致產(chǎn)生嚴重的枝晶偏析，限制了材料性能的提高。造成冷卻速度慢的主要原因是凝固界面與液相中最高溫度面距離太遠，固 液界面并不處于最佳位置，因此所獲得的溫度梯度不大，這樣為保證界面前液相中沒有穩(wěn)定的結(jié)晶核心的形成，所允許的最大凝固速度就有限。表 11為三種 不同定向凝固 方法的工藝參數(shù)。 表 11 不同定向凝固方法的主要冶金參數(shù) Table 11 Different directional solidification of metallurgical parameters 項 目 PD法 HRS法 LMC法 溫度梯度 (K/cm) 7～ 11 26～ 30 73～ 103 生長速度 (cm/h) 8～ 12 23～ 27 53～ 61 冷卻速度 (K/h) 90 700 4700 局域凝固時間 (min) 85～ 88 8～ 12 ～ 為進一步提高定向凝固過程中的溫度梯度 ， 從而提高凝固速度 ， 最終提高材料的性能 ， 在充分吸收其他凝固技術(shù) （ 如快速凝固）優(yōu)點的基礎(chǔ)上 ，出現(xiàn)了許多新型的定向凝固技術(shù) 。 (2) 區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法 李建國等通過改變加熱方式 , 在 LMC 法的基礎(chǔ)上發(fā)展了一種新型 定向凝固技術(shù) —— 區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法 , 即 ZMLMC 法。該方法的冷卻方式與 LMC方法相同，加熱部分則利用固定的感應(yīng)線圈產(chǎn)生熱量，在距冷卻金屬液面極近的位置使金屬局部熔化 ， 過熱產(chǎn)生的熔化區(qū)很窄，從而將凝固界面位置下壓，同時使液相中的最高溫度盡量靠近凝固界面，啟動抽拉裝置，不斷地向下抽拉熔化的試樣進入液態(tài)合金中冷卻。 其 裝置如圖11所示 ： 該方法將區(qū)域熔化與液態(tài)金屬冷卻相結(jié)合 , 利用感應(yīng)加熱集中對凝固界面前沿液相進行加熱 , 從而有效地提高了固液界面前沿的溫度梯度。ZMLMC定向凝固裝置最高溫度梯度可達 1300K/cm，最大冷卻速度可達 50 河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 4 K/s，凝固速率可在 6～ 1000 181。m/s內(nèi)調(diào)節(jié)。目前這方面的研究還都處于試驗階段，要進一步廣泛應(yīng)用，還有待于進一步的努力和改進。 圖 11 區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法裝置示意 Fig. 11 Zone regional melting liquid metal cooling device 1. Ingot 2. Cooling agent 3. Cooling water 4. Insulation board 5. Induction coil 6. Sample 7. Melting zone 8. Crucible (3) 深過冷定向凝固 深過冷定向凝固 （ supercooling directional solidification， 簡稱 SDS）是深過冷與定向凝固的結(jié)合。其基本原理 [9]是將盛有金屬液的坩堝置于一激冷基座上，在金屬液被動力學(xué)過冷的同時，金屬液內(nèi)建立起一個自下而上的溫度梯度，冷卻過程中溫度最低的底部先形核，晶體自下而上生長，形成定向排列的樹枝晶骨架，其間是殘余的金屬液。在隨后的冷卻過程中，這些金屬液依靠 向外界散熱而在已有的枝晶骨架上凝固，最終獲得了定向凝固組織。其原理如圖 12所示。 河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 5 圖 12 深過冷定向凝固原理示意 Fig. 12 Deep super cooling directional solidification principle 1. Cooling device 2. Liquid mater 3. Purification 4. Stock 5. Silica pot 與傳統(tǒng)定向凝固工藝相比，深過冷定向凝固法（ DUDS）具有下述特點 ； (1)鑄件和爐子 間無相對運動，省去了復(fù)雜的傳動和控制裝置，大大降低了設(shè)備要求。 (2)凝固過程中熱量散失快，鑄件生產(chǎn)率高。 (3)定向凝固組織形成過程中的晶體生產(chǎn)速度高，組織結(jié)構(gòu)細小，微觀成分偏析程度低，從而使鑄件的各種力學(xué)性能大幅度提高。 目前，深過冷的研究還局限于純金屬或簡單的二元合金，對復(fù)雜合金的深過冷