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非平衡凝固与深冷处理协同作用下Al-Sc合金沉淀析出机理研究

批准号:
52061032
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
34.0 万元
负责人:
杨伟
依托单位:
学科分类:
金属材料制备与加工
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
杨伟

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
随着激光熔覆和增材制造技术的发展,材料制备过程中非平衡效应显著增强,所形成的高固溶组织在后续加工服役中易发生沉淀相转变,其中晶界处所析出的粗大条状或层片状组织严重危害材料的安全使用。本项目拟将快冷液固相变与深冷固态转变有效结合,协同影响时效析出过程以期改善沉淀相组织。首先采用典型非平衡制备技术(喷铸、甩带和选区激光成形),制备出宽冷速范围内快速凝固Al-Sc合金。综合考虑局域非平衡及溶质拖拽、弛豫效应,建立快速凝固枝晶生长模型,揭示高固溶组织形成规律。利用深冷技术进一步提高基体中位错和空位等缺陷密度,降低形核能垒,为析出提供有利形核位置。通过建立耦合溶质过饱和度和缺陷密度的析出动力学模型,推导不同析出模式下临界形核功、转变激活能及生长指数变化行为,获得晶界不连续析出向晶内连续析出发生转变的判据。项目的完成有利于丰富完善非平衡凝固及其固态转变科学认知,为高性能结构材料的研制开发提供理论支撑。
英文摘要
With the development of laser cladding and additive manufacturing technique, the non-equilibrium effect during the material processing is significantly strengthened. Precipitation transformation is prone to occur from the as-formed high saturation structure during the subsequent fabrication and service stage, and the coarse strip or lamellar phase at grain boundary is greatly harmful to safe application. According to the adoption of rapid solidification for liquid-solid phase transformation and cryogenic treatment of solid state transition, cooperative influence on the aging process is investigated to modify the precipitations. Rapid solidification of Al-Sc alloys with wide cooling range are firstly prepared by copper injection casting, melt spinning and selective laser forming. By considering local non-equilibrium, solute dragging and relaxation effects, dendrite growth model is established to reveal the formation mechanism of high saturation structure. After cryogenic treatment, the defect densities including dislocation and vacancy are further enhanced to reduce the nucleation barrier and provide favorable site for the nucleation of precipitation. On these basis, the kinetics transformation model for precipitation is established by coupling solute super-saturation and defect density, which can be used to deduce the critical nucleation work, activation energy and growth index for different precipitation modes and the transition criterion from discontinuous precipitation at grain boundary to continuous precipitation within the matrix. The accomplishment of this project is beneficial to the scientific understanding of non-equilibrium solidification and its influence on solid state transformation, which can provide theoretical support for the fabrication of high performance structure material.
随着激光熔覆和增材制造技术发展,材料制备过程中非平衡效应显著增强,所形成的高固溶组织在后续加工服役中易发生沉淀析出。本项目通过非平衡凝固与深冷处理相结合,制备出快冷及快冷+深冷Al-Sc基合金,完成晶粒形貌及尺寸、物相结构、溶质偏析等关键组织参量的表征,揭示深冷处理对非平衡组织位错增殖、晶粒碎断及晶界不连续析出等行为的影响。基于析出方式、数量、析出相形貌及体积分数等组织演变规律,完成快冷与深冷协同作用下析出动力学描述,获得不同条件下形核及生长指数,实现析出过程及组织的有效调控。.研究结果表明:铸态Al-Sc合金因凝固初期Al3Sc相的形成可获得理想晶粒细化效果。快冷合金组织为择优生长柱状晶,并随Sc含量增加向等轴晶发生转变。根据界面生长动力学和枝晶尖端稳定性判据,非平衡凝固过程中动力学过冷度占主体,枝晶生长速率加快,溶质截留现象严重,基体溶质含量提高,初生Al3Sc粒子形成受到抑制,有利于获得非平衡高固溶组织,然而析出强化效果的减弱导致快冷合金显微硬度下降。深冷处理有效引起快冷合金发生位错增殖、晶粒碎断及晶界不连续析出等系列组织演化行为,但基体仍保持单相高固溶特征。随时效过程进行,合金中发生连续析出模式,析出粒子均匀弥散分布在基体晶粒内。深冷处理可有效促进快冷合金时效析出,显著缩短峰值时效时间,同时诱发局部再结晶发生。由于Al3(Sc,Zr)纳米析出相热稳定性好,高温抗粗化能力强,能够与基体保持良好界面共格效应。以Orowan绕过机制为主的强化机理显著提升时效后合金显微硬度。基于时效动力学的量化分析,获得沉淀析出过程中Avrami形核及生长指数演变规律。.项目的完成建立了快冷液固相变与深冷固态相变的相互关联,丰富完善了非平衡凝固及其沉淀析出等领域的科学认知,能够从多角度多层次影响沉淀析出过程,为新型耐热铝合金的研发及其多工艺优化调控提供重要理论指导。
基于形核/生长调控的凝固相变动力学及其加压凝固行为
  • 批准号:
    52261014
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    33万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    杨伟
  • 依托单位:
纳米粒子孕育下非平衡凝固镁合金异质形核与热稳定性
  • 批准号:
    51461032
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    48.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    杨伟
  • 依托单位:
国内基金
海外基金