难熔Nb基共晶合金的静电悬浮快速凝固研究

The high undercooling and rapid solidification of refractory binary Nb-Ni/Si and ternary Nb-Ni/Si-Mo eutectic alloys are accomplished by electrostatic levitation technique. Systematic measurements are carried out about the density, specific heat, surface tension and viscosity of liquid metals within the undercooling range of (0.1~0.2)Te. These thermophysical properties provide the indispensable original data for the dynamic analysis of rapid solidification. The critical cooling rate and undercooling for glass formation is investigated according to the time-temperature curves obtained at different cooling rates. In light of the experimental results, the thermodynamic and kinetics factors of bulk amorphous forming are analyzed. The nucleation mechanism under super undercooling condition is explored based on the nucleation theory and thermal analysis results. The keynote of this project is focused on the relationship between growth velocity, undercooling and lamellar spacing during the rapid eutectic growth process, and the undercooling thresholds for “lamellar-non lamellar” eutectic transition. Meanwhile, the coupled growth process of two phases within the formation of non lamellar eutectic is also analyzed in details. On the basis of experimental results and theoretical analyses, the kinetic characteristics of rapid solidification are indicated for modeling the non-equilibrium solidification of refractory alloys.

利用静电悬浮无容器处理技术，实现二元Nb-Ni/Si及三元Nb-Ni/Si-Mo共晶型合金的深过冷与快速凝固。系统测定共晶凝固温度高达1500~2000℃的难熔Nb基合金在(0.1~0.2)Te过冷度范围内的密度、比热、表面张力和粘度等热物理性质随过冷度的变化规律，为定量研究快速凝固动力学获取必需的原始数据。通过测定Nb-Ni基合金非晶态凝固的临界过冷度，并利用过冷态的热物性参数，研究块体非晶形成的热力学和动力学条件。结合实验测定与形核理论探索悬浮液滴在接近超过冷状态下的晶体形核机制。重点研究快速凝固过程中共晶生长速度、过冷度和层片间距三者之间的定量关系，以及发生“规则层片共晶—非规则共晶”组织形态转变的临界过冷度，深入分析非规则共晶形成过程中两相协同生长的耦合机制。基于实验研究和理论分析，揭示难熔Nb基合金快速凝固的动力学机制和凝固组织演变规律。

难熔Nb基合金具备优异的高温强度和抗蠕变性能，是航空航天潜在的新型结构材料。深过冷状态和快速凝固机理的研究对其应用性能具有重要的科学意义。由于其高熔点及高温活性，深过冷状态难以实现。本项目利用静电悬浮无容器处理技术，选择二元Nb-Si、Nb-Ni合金为主要研究对象。开展了6个方面的研究内容：一是静电悬浮关键技术研究。攻克了静电悬浮样品的无容器熔化和凝固；悬浮熔体的温度控制及快速凝固光学探测；悬浮熔体形态振荡的激发和主动控制三方面的关键技术。二是深过冷和晶体形核研究。实现了多种难熔金属的深过冷状态，过冷度范围(0.16～0.24)Tm。研究了纯Nb的形核率函数关系，揭示其晶体形核机制。分子动力学计算了不同过冷度下的临界晶核尺寸及液固界面自由能。三是液态难熔合金的热物理性质。系统测定了包括6种难熔金属，二元Nb-Si、Nb-Ni合金的密度、比热、粘度、表面张力、热膨胀系数等热物性参数随温度的变化规律。四是难熔合金的快速凝固规律。研究了二元Nb-Si合金溶质元素对(Nb)固溶体枝晶生长动力学的影响机制。研究了不同Si含量对betaZr固溶体的枝晶生长速度的影响规律，阐明了晶体生长动力学转变机制。揭示了二元W-Ta匀晶合金枝晶形态转变及溶质分布特征。测定了二元Nb-16.7%和Zr-8.8%Si共晶合金不同过冷度下共晶生长速度，确定了组织形态转变的临界过冷度。五是Nb-Ni合金的非晶态凝固。对比静电悬浮和自由落体条件下亚共晶合金Nb38Ni62、共晶合金Nb40.5Ni59.5和过共晶合金Nb43Ni57的深过冷快速凝固规律，探索了它们形成非晶态的热力学和动力学条件。六是难熔型高熵合金的快速凝固规律。采用静电悬浮技术合成了新型难熔高熵合金。系统测定了密度、热膨胀系数和比热与温度之间的定量规律。特别是国际上首次测定了过冷高熵合金固溶体的枝晶生长动力学规律，为凝固过程调控合金应用性能提供了理论基础。基于这些研究结果，揭示了难熔Nb基共晶合金的深过冷特征和快速凝固规律，并为通过凝固过程调控难熔合金组织形态、提升应用性能提供了重要理论依据。