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Al_（72）Ni_（12）Co_（16）合金深过冷及十面体准晶的凝固行为

作　者: 刘新宝
导　师: 杨根仓
学　校: 西北工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: Al-Co-Ni合金十面体准晶组织演化生长机制深过冷制备技术
分类号: TG111.4
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

采用惰性形核涂层技术与循环过热相结合的方法，使大体积Al₇₂Ni₁₂Co₁₆准晶合金获得深过冷，并系统研究了深过冷Al₇₂Ni₁₂Co₁₆合金熔体中十面体准晶的形核与生长行为。借助经典形核理论与瞬态形核理论讨论了过冷熔体中十面体准晶形核的热力学和动力学条件；研究了宽过冷度范围内Al₇₂Ni₁₂Co₁₆准晶合金的凝固组织演化规律；通过分析十面体准晶在不同过冷度下的生长形貌，界定了十面体准晶生长方式随过冷度发生转变的临界条件，制备出完全呈单相的块体十面体准晶；采用粉末X-射线衍射、差热分析、扫描电镜和微观硬度等手段，研究了单相十面体准晶的热稳定性及其基本力学性能。本文的主要研究内容及获得的结论如下：（1）采用惰性形核涂层技术和循环过热的方法，使Al₇₂Ni₁₂Co₁₆合金熔体最大获得了180K的高过冷度。大量实验结果表明，惰性形核涂层的非晶化程度、熔体过热度、过热保温时间以及循环过热次数等工艺参数将显著影响熔体的初始过冷度。（2）在已有实验基础上，通过经典形核理论计算，发现在不考虑异质形核条件下，准晶熔体所能获得的最大过冷度取决于初生相的晶体结构。初生相晶体结构与过冷熔体中存在的二十面体短程有序（ISRO）结构越接近，熔体的过冷能力则越小。通过引入表征晶体结构的参数α，发现初生相结构与熔体相对过冷度ΔT_rel间存在线性关系：ΔT_rel=-0.033+0.44α。（3）理论计算表明，在过冷度为180K的Al₇₂Ni₁₂Co₁₆合金熔体中，十面体准晶的形核仍为异质形核。采用惰性形核涂层技术和循环过热的方法，仅去除了熔体中润湿角小于92°的异质形核质点。十面体准晶的临界晶核表面能、形核孕育时间均比通常晶体相小得多，并且匀质形核时的最大形核率要比晶体相高出几个数量级。（4）实验结果和理论分析均表明，当Al（72）Ni₁₂Co₁₆合金熔体的初始过冷度小于65K时，随着凝固过程的进行，液相中出现的溶质贫乏导致了晶体相γ在十面体准晶柱状晶界处析出，单相组织被破坏。当过冷度超过65K时，显著的溶质截留效应使Al₇₂Ni₁₂Co₁₆合金凝固组织演变为完全呈单相的准球状等轴晶。（5）热力学计算结果表明，深过冷Al（72）Ni₁₂Co₁₆合金凝固组织中的细化晶粒是由再辉过程中初始枝晶骨架的重熔而引起。在大约70K的初始过冷度下凝固时，凝固组织中的初始枝晶骨架具有最大的重熔趋势。过冷度进一步增加时，再辉过程中的重熔作用随之减小而使最终凝固组织相对粗大。西北工业大学工学博卜学位论文（6）随熔体初始过冷度的增加，十面体准晶呈现出不同的生长形貌。小过冷度下，十面体准品沿二次轴方向以台阶方式生长形成多棱柱组织。当过冷度超过某一临界值时，十面体准晶由小平面台阶生长方式转变为非小平面连续生长，形成等轴晶组织。结合卡恩生长动力学统一理论和过冷熔体中晶体生长的BCT模型，界定了十面体准晶生长方式发生这一转变的临界过冷度为65K。（7）粉末X一射线衍射、差热分析等结果表明，在深过冷快速凝固条件下，十面体准晶的非小平面连续生长有效抑制了晶体相的形成，所获得的单相十面体准晶在室温和退火温度范围内均保持稳定。（8）通过压痕法对单相AI7剑i.Zc。，6十面体准晶的显维硬度进行测量，结果发现随载荷的增加，其硬度从9.07GPa降低到8.32GPa，减少幅度只有8%，与陶瓷材料的性质相仿。根据1009载荷下首次出现的裂纹，估算出单相Al，剑i12Co，6十面体准晶的断裂韧性K.。为1 .6MPa了而，脆性为5.63扳而，表现出强烈的脆性。

全文目录

摘要  7-9
ABSTRACT  9-12
物理量名称及符号表  12-14
本文主要创新与贡献  14-15
第1章绪论  15-45
  1.1 引言  15
  1.2 准晶的发现  15-17
  1.3 准晶的分类  17-19
  1.4 准晶的结构描述  19-21
  1.5 单相准晶的制备  21-26
    1.5.1 准晶制备技术的研究进展  21-22
    1.5.2 准晶制备技术及其特点  22-26
      1.5.2.1 定向凝固法  22-24
      1.5.2.2 自熔体法  24
      1.5.2.3 深过冷快速凝固法  24-26
  1.6 准晶的应用  26-27
    1.6.1 准晶在表面改性材料中的应用  26
    1.6.2 准晶作为结构材料增强相的应用  26-27
  1.7 快速凝固理论与技术的发展概况  27-37
    1.7.1 凝固界面形态选择  27-30
    1.7.2 过冷熔体中的形核规律  30-32
    1.7.3 过冷熔体中的枝晶生长  32-35
    1.7.4 过冷单相合金熔体的组织演化  35-37
  1.8 本文研究目标及课题来源  37-38
  参考文献  38-45
第2章研究内容与实验方法  45-57
  2.1 研究内容  45-46
  2.2 十面体准晶结构的标定  46-49
  2.3 合金的选定  49-50
  2.4 深过冷快速凝固  50-52
    2.4.1 合金熔配  51-52
    2.4.2 合金的深过冷  52
  2.5 分析测试方法  52-55
    2.5.1 组织分析  53
    2.5.2 X-射线衍射分析  53-54
    2.5.3 差热分析(DTA)  54
    2.5.4 显维硬度测量  54-55
  参考文献  55-57
第3章 Al_(72)Ni_(12)Co_(16)合金深过冷及十面体准晶的形核  57-75
  3.1 引言  57
  3.2 Al_(72)Ni_(12)Co_(16)合金的深过冷  57-60
    3.2.1 隋性形核涂层坩埚+循环过热的熔体处理工艺  57-58
    3.2.2 惰性形核涂层坩埚+循环过热工艺的过冷效果  58-60
  3.3 过冷Al_(72)Ni_(12)Co_(16)合金中十面体准晶的形核  60-70
    3.3.1 经典形核理论  61-62
    3.3.2 初始相结构对熔体过冷能力的影响  62-66
    3.3.3 十面体准晶的形核  66-70
  3.4 本章小结  70-72
  参考文献  72-75
第4章过冷Al_(72)Ni_(12)Co_(16)合金的凝固组织演化  75-87
  4.1 引言  75
  4.2 不同过冷度下Al_(72)Ni_(12)Co_(16)合金凝固组织  75-78
  4.3 细化组织的晶粒结构  78-79
  4.4 晶粒细化机制  79-82
  4.5 单相十面体准晶的形成  82-83
  4.6 本章小结  83-85
  参考文献  85-87
第5章过冷Al_(72)Ni_(12)Co_(16)合金中十面体准晶的生长  87-99
  5.1 引言  87
  5.2 过冷Al_(72)Ni_(12)Co_(16)合金熔体中十面体准晶形貌  87-91
  5.3 十面体准晶的生长机制  91-95
    5.3.1 小过冷度下十面体准晶的生长机制  91-92
    5.3.2 大过冷度下十面体准晶的生长机制  92-95
  5.4 本章小结  95-96
  参考文献  96-99
第6章单相Al_(72)Ni_(12)Co_(16)十面体准晶的稳定性  99-107
  6.1 引言  99
  6.2 粉末X-射线衍射  99-104
  6.3 差热分析  104-105
  6.4 本章小结  105-106
  参考文献  106-107
第7章单相十面体准晶的基本力学性能  107-113
  7.1 引言  107
  7.2 显维硬度  107-109
  7.3 断裂韧性与脆性  109-110
  7.4 本章小结  110-111
  参考文献  111-113
第8章结论  113-115
附录Ⅰ 十面体准晶指数表  115-123
致谢  123-125
攻读博士学位期间发表的学术论文及获得的奖励  125-127

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