[發(fā)明專利]表征及調(diào)控包晶合金定向凝固時糊狀區(qū)內(nèi)滲透率的方法

有效

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• 申請日: 2020-06-10
• 公開（公告）號: CN111537422B
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 彭鵬;岳錦綿;張安橋;張旭東;徐遠麗;馬智琨
• 申請（專利權(quán)）人: 蘭州大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08;G01N23/2251
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11385
• 代理人: 程華

本發(fā)明公開了表征及調(diào)控包晶合金定向凝固時糊狀區(qū)內(nèi)滲透率的方法，主要針對合金凝固時最常見的枝晶形態(tài)進行表征，屬于包晶合金材料的表征技術(shù)領(lǐng)域。通過測量特定的比表面積S_v，提出了基于Carman?Kozeny模型的解析表達式，以分析定向凝固包晶合金中枝晶糊狀區(qū)內(nèi)流體滲透性。旨在解決關(guān)于包晶合金枝晶間的重熔/再凝固過程如何影響凝固期間枝晶結(jié)構(gòu)間流體滲透性的疑問。闡明了包晶反應(yīng)對流體滲透性的影響。通過研究糊狀區(qū)中枝晶網(wǎng)絡(luò)對流體滲透率K的依賴性，增進了對包晶凝固過程中滲透率的理解。本方法可以實現(xiàn)對包晶合金定向凝固過程中糊狀區(qū)內(nèi)滲透率變化的合理表征和控制，從而，獲得具有合金實際生產(chǎn)時所需滲透率微觀結(jié)構(gòu)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于包晶合金材料的表征技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種表征及調(diào)控包晶合金定向凝固時糊狀區(qū)內(nèi)滲透率的方法。

背景技術(shù)

具有一定凝固區(qū)間的合金凝固過程中，會形成固液共存的糊狀區(qū)。因此會發(fā)生由重力場和電場等外部影響以及諸如粗化和凝固收縮之類的凝固過程引起的流體流動。為了表征在糊狀區(qū)域中的流體流動，通常使用由達西定律定義的參數(shù)滲透率K。它通常基于Carman-Kozeny和Blake-Kozeny方程表示并預(yù)測諸如微孔等缺陷。此外，對于一般的枝晶結(jié)構(gòu)，在糊狀區(qū)中的枝晶網(wǎng)絡(luò)的滲透率K與枝晶臂間距，固相的體積分數(shù)(f_S)和枝晶結(jié)構(gòu)的比表面積有關(guān)。關(guān)于滲透率對液相/固相的體積分數(shù)的依賴性已有許多研究，它們表明滲透率與枝晶臂間距相關(guān)，并且糊狀區(qū)中的枝晶網(wǎng)絡(luò)間的滲透率與液相流動密切相關(guān)。

由于這些參數(shù)在凝固過程中會發(fā)生變化，因此枝晶網(wǎng)絡(luò)間的流體滲透性也會發(fā)生變化。在凝固過程中應(yīng)更加注意糊狀區(qū)域中枝晶網(wǎng)絡(luò)的演變。在枝晶組織凝固過程中，吉布斯-湯姆遜效應(yīng)導(dǎo)致溶質(zhì)在糊狀區(qū)域中具有不同半徑的二次枝晶臂之間的液相中發(fā)生溶質(zhì)擴散，從而導(dǎo)致較細/較粗的二次枝晶臂上的重熔/再凝固，從而導(dǎo)致枝晶臂粗化，這樣會影響材料的力學性能。另外凝固過程中的溫度梯度導(dǎo)致糊狀區(qū)域中的熔體濃度梯度一直存在。因此，液相中的溶質(zhì)擴散也可以通過施加溫度梯度導(dǎo)致的熔體濃度梯度引起。結(jié)果在枝晶糊狀區(qū)中發(fā)生了由熔體濃度梯度引起的重熔/再凝固過程，從而導(dǎo)致枝晶結(jié)構(gòu)的演變。這種擴散控制的過程稱為溫度梯度區(qū)域熔化(TGZM)。

近幾十年來，已經(jīng)觀察到許多以包晶反應(yīng)L+α→β為特征的重要工業(yè)包晶合金的枝晶形態(tài)，由于有包晶相的參與，包晶合金的枝晶生長更加復(fù)雜。包晶反應(yīng)抑制了吉布斯-湯姆遜效應(yīng)引起的粗化過程。另外，已經(jīng)證明，TGZM效應(yīng)不僅可以減少枝晶間的微觀偏析，而且可以在包晶凝固過程中加速二次枝晶臂上的重熔/再凝固過程。因此，盡管先前對包晶凝固過程中的枝晶網(wǎng)絡(luò)的分析表明其特殊性源于包晶反應(yīng)，但這項研究仍遠遠不夠，特別是在相關(guān)的流體流動現(xiàn)象領(lǐng)域。

如上所述，流體滲透率作為一項關(guān)鍵參數(shù)其可用數(shù)據(jù)相對較少，尤其針對包晶合金。此外，由于糊狀區(qū)中的枝晶網(wǎng)絡(luò)會受到吉布斯-湯姆遜效應(yīng)和TGZM效應(yīng)兩者的共同影響而改變，因此，仍然存在關(guān)于它們的重熔/再凝固過程如何影響凝固期間枝晶結(jié)構(gòu)的滲透性的疑問，需要闡明包晶反應(yīng)對流體滲透性的影響。因此，迫切需要研究糊狀區(qū)中枝晶網(wǎng)絡(luò)與流體滲透率K的關(guān)聯(lián)，以增進我們對包晶凝固過程中滲透率的理解。業(yè)已證明，比表面積(S_V)具有表征粗化過程的優(yōu)勢，因此，可以建立基于Carman-Kozeny方程的分析模型來描述包晶合金定向凝固過程中糊狀區(qū)中枝晶結(jié)構(gòu)的滲透性。此外還需要考慮TGZM和吉布斯-湯姆遜效應(yīng)與滲透率之間的關(guān)系。

總之，對于具有廣泛應(yīng)用前景的包晶合金，目前尚未提出計算包晶合金定向凝固時糊狀區(qū)內(nèi)滲透率的方法。合金枝晶凝固時的滲透率受糊狀區(qū)內(nèi)固相/液相體積分數(shù)及合金枝晶形貌的影響。而固相/液相體積分數(shù)及合金枝晶形貌受到曲率效應(yīng)及TGZM效應(yīng)的影響；同時，在包晶合金凝固過程中，包晶反應(yīng)對于曲率效應(yīng)及TGZM效應(yīng)同樣有顯著影響。因此，曲率效應(yīng)、TGZM效應(yīng)及包晶反應(yīng)的耦合作用直接影響并改變合金糊狀區(qū)內(nèi)的枝晶形態(tài)及固相/液相體積分數(shù)，從而改變包晶合金定向凝固時糊狀區(qū)內(nèi)滲透率。特別是包晶合金定向凝固中滲透率會在某一階段上升，但上述影響的作用迄今為止未被考慮，因此用現(xiàn)有方法無法表征。

發(fā)明內(nèi)容