曹东甲
,
塔娜
,
杜勇
,
张利军
中国材料进展
doi:10.7502/j.issn.1674-3962.2015.01.05
材料制备过程中微结构演变的定量描述是材料设计的核心。近年来基于精准热力学和扩散动力学数据库的相场模拟是对微结构演变进行定量描述一种行之有效的方法。作为航空发动机和燃气涡轮叶片等高温零部件的主要用材，高性能镍基高温合金制备工艺的优化及设计一直是各国材料学者研究的热点和难点。首先概述了相场方法及其最新研究进展，以及相场法与 CALPHAD （CALculation of PHAse Diagram）数据库耦合技术的发展，随后详细介绍了国内外有关镍基高温合金凝固、固溶及时效过程微结构演变定量相场模拟的报道，以及当前用于建立镍基高温合金微结构与力学性能关系的可行方法。之后给出了两个基于定量相场模拟对镍基高温合金固溶及时效热处理机制进行优化及设计的实例，进一步证明了相场模拟在高性能镍基高温合金设计中的重要作用。最后，指出了对镍基高温合金制备过程微结构演变进行定量相场模拟以及后续工艺优化和设计中存在的主要问题及发展趋势。
关键词:
镍基高温合金
,
微结构
,
相场模拟
,
CALPHAD
,
热处理机制
,
材料设计
关小军
,
王进
,
张向宇
,
曾庆凯
人工晶体学报
为了研究硅单晶直拉法生长过程中双空洞的长大动力学以及空洞间的相互作用机理,采用已建立的空洞演化的相场模型及其应用程序,模拟研究了直拉硅单晶生长过程中双空洞演化和相关因素的影响规律.结果表明:所建相场模型能够有效地模拟基体中空位扩散和双空洞长大的过程;双空洞长大趋势随着模拟时间和初始空位浓度的增强而加强;随着空洞初始中心间距的增加和初始空位浓度的减小,双空洞长大由相互融合模式转变为独立长大模式.
关键词:
硅单晶
,
直拉法生长
,
相场模拟
,
双空洞
,
长大动力学
宋鹏程
,
柳文波
,
陈磊
,
张弛
,
杨志刚
金属学报
doi:10.11900/0412.1961.2015.00643
使用相场模拟方法研究了形状记忆合金Au30Cu25Zn45马氏体相变过程中的组织演变, 并与实验结果进行比较. 模拟发现, Au30Cu25Zn45合金马氏体相变后形成的特殊的弯曲状组织, 是由相变形成的四变体结结构(quad-junction)中的变体对逐层叠加长大而成, 先后形成的变体层沿同一孪晶面生长, 并且先形成的变体层尺寸较大, 从而形成凸起的马氏体组织. 进一步研究得到, 马氏体变体中存在6组能够形成这种quad-junction的变体组合, 每一组合中有4个变体, 且两两之间形成4对不同的1类/2类孪生变体对与2对复合变体对, quad-junction由其中4种两两具有相同孪晶面法向的变体对组成, 且这2组孪晶面法向相互垂直.
关键词:
相场模拟
,
四变体结结构
,
孪生变体对
,
形状记忆合金
,
马氏体相变
宋鹏程
,
柳文波
,
陈磊
,
张弛
,
杨志刚
金属学报
doi:10.11900/0412.1961.2015.00643
使用相场模拟方法研究了形状记忆合金Au30Cu25Zn45马氏体相变过程中的组织演变,并与实验结果进行比较.模拟发现,Au30Cu25Zn45合金马氏体相变后形成的特殊的弯曲状组织,是由相变形成的四变体结结构(quad-junction)中的变体对逐层叠加长大而成,先后形成的变体层沿同一孪晶面生长,并且先形成的变体层尺寸较大,从而形成凸起的马氏体组织.进一步研究得到,马氏体变体中存在6组能够形成这种quad-junction的变体组合,每一组合中有4个变体,且两两之间形成4对不同的1类/2类孪生变体对与2对复合变体对,quad-junction由其中4种两两具有相同孪晶面法向的变体对组成,且这2组孪晶面法向相互垂直.
关键词:
相场模拟
,
四变体结结构
,
孪生变体对
,
形状记忆合金
,
马氏体相变
由园
,
闫牧夫
,
陈义强
金属学报
doi:10.3321/j.issn:0412-1961.2008.10.005
通过构建局域自由能函数,并考虑晶界对析出过程的影响,建立了低体积分数相析出过程的相场模型,模拟了溶质体积分数为2%的体系中第二相在晶界和晶内析出及其演变过程.结果表明,在相同相场步条件下,晶粒空间矢量平方和的幂指数项(∑(η)2)μ决定了第二相在晶界和晶内的析出比例;晶内析出相的比例随μ值的减小而增加;析出相尺寸的大小取决于浓度场梯度能系数к(ζ)值的高低;μ=1或较大к(ζ)时,析出相全部集中于晶界上.
关键词:
低体积分数
,
相析出
,
相场模拟
柯常波
,
周敏波
,
张新平
金属学报
doi:10.3724/SP.J.1037.2013.00415
运用多相场模型模拟了Sn/Cu互连体系中晶界扩散系数DGB及界面初生金属间化合物(IMC)相(η相)与液相Sn(L相)间界面能σηL对界面Cu6Sn5组织演化和生长动力学行为的影响.研究表明,界面IMC层Cu6Sn5晶粒以紧密排列的扇贝状形貌存在,其扇贝状形貌同时受DGB和σηL的竞争性影响.IMC的生长过程由3阶段组成:Cu6Sn5晶粒快速生长铺满Cu基底阶段、Cu6Sn5晶粒转变为扇贝状形貌的过渡阶段以及Cu6Sn5层增厚和晶粒粗化同时进行的正常生长阶段.IMC层厚度随DGB增大而增加,随σηL增大而减小;而Cu6Sn5晶粒的平均横向粒径随DGB增大而减小,随σηL增大而增加.界面Cu6Sn5层厚度和晶粒横向粒径随反应时间呈指数规律变化,采用较大DGB和晶界能σGB=2σηL获得的生长指数符合理想的固/液界面反应的生长过程.
关键词:
金属间化合物
,
生长动力学
,
组织演化
,
界面反应
,
相场模拟
荆涛
,
帅三三
,
汪明月
,
郑启威
金属学报
doi:10.11900/0412.1961.2016.00323
Mg作为一种典型的hcp 结构金属, 其枝晶形貌和生长取向受到多种因素的影响, 目前针对镁合金中a-Mg 枝晶生长模型的描述以及多样性的起源等问题的研究都比较缺乏, 基于此, 本文综述了本课题组在镁合金凝固微观组织结构三维表征方面取得的研究成果. 借助同步辐射X射线微观断层扫描技术以及相场数值模型, 研究了镁合金凝固过程中a-Mg (X)枝晶生长选择多样性的形成机理以及固溶合金元素(Al, Ca, Zn 和Sn 等)、固溶元素含量(溶质浓度)等因素对a-Mg 枝晶生长选择和演化的影响. 研究结果表明, 固溶元素、固溶元素含量等因素都会对镁合金中a-Mg三维枝晶形貌和择优取向产生重要影响. 在Mg-Ca和Mg-Al (hcp-fcc)合金中, 枝晶倾向于以<112ˉ0>或<224ˉ5>为择优方向生长. 在Mg-Sn (hcp-bct)合金中, 等轴生长的枝晶沿着基面上<112ˉ0>和偏离基面的<112ˉX> (X ≈2)方向形成一种18 次分支的结构, 在Mg-Zn (hcp-hcp)合金中,a-Mg枝晶的择优取向会随着Zn 含量的增加, 从<112ˉ0>方向朝偏离基面的<112ˉ1>方向发生连续转变, 并在转变的过渡区,发现了超支化的藻状枝晶结构, 其原因可能是高各向异性Zn 元素的引入带来的固/液界面自由能各向异性的变化. 研究结果从一定程度上揭示了镁合金凝固过程中a-Mg枝晶生长形貌和分支结构选择多样性的规律. 同时基于快速X射线成像技术率先开展了镁合金凝固过程三维微观结构演化原位表征研究, 获得了镁合金凝固过程三维枝晶的生长演化过程.
关键词:
镁合金
,
凝固
,
三维枝晶形貌
,
相场模拟
,
X射线微观断层扫描
荆涛
,
帅三三
,
汪明月
,
郑启威
金属学报
doi:10.11900/0412.1961.2016.00323
Mg作为一种典型的hcp结构金属,其枝晶形貌和生长取向受到多种因素的影响,目前针对镁合金中a-Mg枝晶生长模型的描述以及多样性的起源等问题的研究都比较缺乏,基于此,本文综述了本课题组在镁合金凝固微观组织结构三维表征方面取得的研究成果.借助同步辐射X射线微观断层扫描技术以及相场数值模型,研究了镁合金凝固过程中α-Mg (X)枝晶生长选择多样性的形成机理以及固溶合金元素(Al,Ca,Zn和Sn等)、固溶元素含量(溶质浓度)等因素对α-Mg枝晶生长选择和演化的影响.研究结果表明,固溶元素、固溶元素含量等因素都会对镁合金中α-Mg三维枝晶形貌和择优取向产生重要影响.在Mg-Ca和Mg-Al (hcp-fcc)合金中,枝晶倾向于以〈1120〉或〈2245〉为择优方向生长.在Mg-Sn (hcp-bct)合金中,等轴生长的枝晶沿着基面上〈11(2)0〉和偏离基面的〈11(2)X(X≈2)方向形成一种18次分支的结构,在Mg-Zn (hcp-hcp)合金中,a-Mg枝晶的择优取向会随着Zn含量的增加,从〈11(2)0〉方向朝偏离基面的〈11(2)1〉方向发生连续转变,并在转变的过渡区,发现了超支化的藻状枝晶结构,其原因可能是高各向异性Zn元素的引入带来的固/液界面自由能各向异性的变化.研究结果从一定程度上揭示了镁合金凝固过程中a-Mg枝晶生长形貌和分支结构选择多样性的规律.同时基于快速X射线成像技术率先开展了镁合金凝固过程三维微观结构演化原位表征研究,获得了镁合金凝固过程三维枝晶的生长演化过程.
关键词:
镁合金
,
凝固
,
三维枝晶形貌
,
相场模拟
,
X射线微观断层扫描
高英俊
,
罗志荣
,
张少义
,
黄创高
金属学报
doi:10.3724/SP.J.1037.2010.00216
针对Al-Ag合金溶质的Spinodal亚稳互溶隙曲线的特点,考虑溶质场与析出相的相互作用,通过构造时效温度和溶质浓度相关联的局域相互作用自由能密度函数,建立了低Ag溶质的Al-Ag合金析出过程的相场模型.模拟了Ag溶质浓度分别为4.2%和22%的体系中溶质场的Spinodal分解和析出Guinier-Preston区(GPZ),以及在析出相附近形成一种无沉淀区(PFZ)的演化过程.模拟结果表明,在析出相周围形成了椭圆形的PFZ,其宽度大约是棒宽度的2倍,而在远离PFZ的区域出现了由于Spinodal分解而形成的Ag溶质分布图案.经过足够长的时效时间,溶质场析出GPZ.当Ag溶质浓度较高时,浓度场会在PFZ周围形成多条液滴状的平行流线环绕着的析出相.模拟结果与实验观察结果很好地吻合.
关键词:
Al-Ag合金
,
Spinodal分解
,
相场模拟
,
析出相
高英俊张海林金星黄创高罗志荣
金属学报
采用相场方法模拟第三相颗粒钉扎的两相耦合的晶粒长大过程, 系统地研究了第三相颗粒体积分数和尺寸大小对两相晶粒长大 过程的影响. 模拟结果表明, 第三相颗粒体积分数越大, 对晶界的钉扎作用越强, 且极限晶粒尺寸越小. 单个第三相颗粒尺寸越大, 对晶界钉扎作用越强. 但当体积分数一定时第三相颗粒尺寸越小时, 颗粒数目会越多, 此时总的钉扎效果会越好, 晶粒极限尺寸也越小. 若晶粒长大系统同时引入两种不同大小的第三相钉扎颗粒, 且两种颗粒所占比例相同时, 钉扎效果最好. 相场方法模拟所得到的二相多晶材料晶粒组织演化规律和晶粒生长指数、晶粒形态、生长动力学和拓扑结构特征与已有实验和理论结果相符合
关键词:
相场模拟
,
grain growth
,
hard particle
,
Zener pinning
