深过冷金属凝固过程的同步辐射X射线成像研究

Solidification of deeply undercooled alloy melts is accompanied with obvious temperature recalescence, due to which the primary solid supersaturated with solute is severely remelted and ripened, and its initial morphology is seldom retained to room temperature. As a result, the description of solidification was often based on inferring. This project is to in-situ observe the solidification of the selected single-phase alloys and eutectic alloys at different undercoolings by synchrotron X-ray radiography. Besides the crystal growth mode, velocity and characteristic length scale, attention will also be paid to where the remelting takes place and how it develops in the primary solid, and the ripening process driven by solid-liquid interface energy. For the alloys whose solidification is involved in metastable phase formation, the imaging investigation also includes the nucleation of stable phase on the metastable phase and the disintegration of the metastable phase skeleton or its solid transformation into the stable phase. Relying on the observation results, not only the dependence of crystal growth mode on undercooling can be established, but also the mechanisms of grain refinement for undercooled single-phase alloys and anomalous eutectic formation for undercooled eutectic alloys, two issues highly controversial for several decades, can be completely unraveled.

深过冷液态金属凝固时存在显著的温度再辉，溶质过饱和的初生固相在此过程中重熔熟化非常严重，致使其初始形貌难以保留到室温，对凝固过程的描述因此很多时候是建立在推测之上。本项目拟选择几种单相合金和共晶合金，对其在不同过冷度下凝固时组织的形成和演化过程进行同步辐射X射线实时成像，在获得晶体生长方式、速度和组织特征参数信息的同时，观察合金在大过冷度下凝固时初生固相中重熔发生的部位与发展方式，与之伴随出现的晶体熟化过程，以及在亚稳相首先析出的情况下，稳定相在亚稳相上的形核情况和稳定相生长过程中亚稳相骨架熔溃或通过固态相变转变为稳定相的过程。依据实验观察结果，不仅可弄清实验合金凝固时晶体生长方式随过冷度的变化规律，并且可望彻底解决数十年来研究者在过冷单相合金晶粒细化、共晶合金反常共晶形成机制上的争议。

深过冷液态金属凝固时存在显著的温度再辉，初生固相无论是过饱和固溶体还是亚稳相，在此过程中就可能因为过热重熔致使原始组织形貌乃至相结构难以保留到室温，这给研究深过冷快速凝固过程中的晶体生长机制和组织演化规律带来很大困扰。本项目以Cu-Ni单相合金、Ag-Cu和Ni-P共晶合金以及大过冷度下有亚稳相析出的M-B(M=Co,Ni)合金为研究对象，采用薄片试样成功抑制了深过冷金属凝固时的温度再辉，获得了初始固相结构和生长方式的信息，再通过快速加热试样模拟了温度再辉过程中初生固相的热经历。重要结果如下：单相合金在发生晶粒细化的中等过冷度范围内凝固，晶体仍以树枝状方式生长，初生固相在温度再辉过程中的过热重熔是导致晶粒细化的根本原因，且只有发生于枝晶主干内部的重熔才能使原始枝晶骨架熔溃；Ag-Cu和Ni-P共晶合金在足够高的过冷度下凝固时，仍以耦合共晶方式生长，温度再辉过程中共晶组织中的固溶体相发生部分重熔，导致反常共晶形成；富M的M-B合金在大过冷度下凝固时，均发生M23B6亚稳相的优先析出，其中Co23B6相的稳定性高于Ni23B6相，在块体金属中形成时很多时候能够保留至室温，Ni23B6相则在凝固期间或固相冷却过程中分解；M23B6亚稳相的分解需要足够长的孕育时间，在以较快的速度加热时可被过热至其熔点温度以上直接发生熔化。项目发展了深过冷快速凝固理论研究的新方法，弄清了典型合金深过冷凝固时的晶体生长方式，为彻底解决数十年来研究者在过冷合金晶粒细化和反常共晶形成机制上的争议提供了重要证据。项目在包括Scripta Materialia和Metallurgical & Materials Transactions A在内的刊物发表SCI论文10篇，资助博士生4名。