定向凝固金属间化合物棱面初生相生长形态转变与晶向选择规律研究

许多金属间化合物材料凝固生长中体现出棱面相生长特征，而棱面相的凝固与生长机制是凝固科学研究的难点，将它们结合开展棱面初生相生长形态与晶向选择规律研究，以希望突破现有建立在非棱面相生长基础上的现代凝固理论。研究中以Al-Al2Cu和Cu-Cu2Mg过共晶合金中棱面初生相Al2Cu和Cu2Mg为研究对象，采用高温度梯度定向凝固技术研究棱面初生相界面生长形态，获得生长形态转变与界面稳定性的关系。探讨界面曲率（平均曲率H和高斯曲率K）在棱面晶体生长形态中所起的作用，揭示棱面初生相Al2Cu和Cu2Mg与共晶耦合组织中Al2Cu和Cu2Mg凝固行为的异同，讨论它们形态和组织发生相互转变的原因及生长机制，进而获得凝固工艺参数对它们生长形态和晶向改变的作用规律。初步建立棱面初生相凝固生长及晶向选择的关系模型，来指导先进金属间化合物材料的制备和凝固组织控制。

金属间化合物相凝固中一般体现出棱面相生长特征，凝固中棱面相的形态会发生相应地改变，但又有保持其晶体学特征的趋势。这种棱面相的凝固生长形态、生长机制与晶向选择耦合在一起，形成了凝固科学研究的重要内容和关注的方向。本项目以Al-Al2Cu和Cu-Cu2Mg过共晶合金中棱面初生相Al2Cu和Cu2Mg为研究对象，开展相的生长形态与晶向选择研究，取得了以下结果：.（1）获得了定向凝固下金属间化合物棱面初生相Al2Cu和Cu2Mg形成条件。其中Al-40%Cu合金中棱面初生相Al2Cu形成的凝固速率范围为5-20μm/s，而Cu-9.95%Mg过共晶合金中棱面初生相Cu2Mg形成的凝固速率范围为5-50μm/s。随定向凝固速率的增加，两种合金中棱面相（小平面相）都存在向非棱面相（非小平面相）转变的相似规律。.（2）定向凝固速率跃迁下，发现棱面初生相Al2Cu转变为非棱面相有两种方式：一是溶质长程扩散不足造成的初生相分解长波长不稳定作用机制；二是初生相消失短波长作用机制。这一点与前人认为初生相形态与生长机制变化仅为单一的长波长作用机制有较大的差别。.（3）利用连续切片技术重构了棱面初生相Al2Cu的三维观组织形貌，发现存在沿生长方向的直棱面和棱边。重构的Cu2Mg三维枝晶组织中发现存在棱面和非棱面的两类枝晶，其中棱面枝晶侧枝表现为八面体形态，非棱面枝晶侧枝为发达的“板条状”形态。建立的三维组织生长形态图与界面择优取向图能很好地定量分析初生Cu2Mg枝晶“棱面侧枝”和“板条侧枝”形态的差别。.（4）在三维定向凝固组织中，实测了定向凝固速率跃迁下棱面初生相生长方向改变，发现棱面初生相Cu2Mg的生长方向从19.44°转变为10°，说明凝固速率跃迁减速后，枝晶生长方向逐渐向热流方向偏转。.（5）定向凝固下大尺寸试样中棱面初生相Al2Cu存在多个晶向的生长，而小尺寸试样中Al2Cu相主要生长晶面为(310)，说明定向凝固工艺辅助于试样尺寸可以很好地控制金属间化合物初生相晶向的生长，使得棱面相Al2Cu的生长方向从晶体学择优方向(110)转变为(310)，达到了有效选择晶向生长的目的。.上述对棱面金属间化合物相生长形态、形成机制与晶向选择的研究丰富了现有非棱面相生长的合金凝固理论，能更精确控制和预测金属间化合物相的凝固组织，指导开发和制备强各向异性的新型材料。