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MonelK500鋼板生產(chǎn)本論文主要包括兩大部分,一是通過相場模擬提出兩種不同的方法得到Rc作為Fe-B非晶軟磁合金GFA直接的表征參數(shù),并研究其深層次物理機(jī)制;二是研究銅?？焖倌踢^程中溫度梯度分布及外加工藝參數(shù)對Nd-Fe-B永磁合金的凝固微觀組織演變的影響。首先,基于等溫WBM（Wheeler-Boettinger-McFadden）相場模擬得到Fe-B二元軟磁合金體系的TTT（Time-Temperature-Transformation）曲線圖,并計算其Rc作為GFA直接的表征參數(shù)。隨后,研究界面遷移率中不同激活能E和形核率中不同熱激活能Q取值下,界面遷移率和形核率對Fe75B25二元合金的Rc及GFA的影響。在目前模擬精度下,界面遷移率中熱激活能E對TTT曲線圖鼻尖溫度和時間影響較小。在形核率中熱激活能Q作用下,鼻尖溫度有所上升,說明Q控制著鼻尖的溫度,但過高的Q值將得不到完整的C形。

在三個不同激活能下,TTT曲線鼻尖處的溫度和時間分別為500 K、600 K、775 K和6.2×10-4 s、4.5×10-4 s、9.45×10-4 s,計算的Rc分別為1.56×106 K/s、1.93×106K/s和7.345×105 K/s,均處于實驗值6.4×105 K/s6.8×106 K/s的范圍內(nèi),驗證了相場法在合適的熱物性參數(shù)選取下對非晶合金GFA預(yù)測方面的可行性。其次,采用多元-多序參量相場CF-MPF（Continuum-field-multi-phase-field）模型模擬了不同冷卻速度下,Fe1-xBx（x=9、11、15、17、20和25）二元合金快速凝固過程中玻璃轉(zhuǎn)變、晶相與非晶相的競爭過程。研究發(fā)現(xiàn),在玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg以上,體系仍保持液相,只有當(dāng)溫度接近并降到Tg以下時,非晶團(tuán)簇才會不斷形成,形成速度很快,但生長速度很慢,類似于爆炸形核。在不同冷卻速度下,對Fe91B9、Fe89B11、Fe85B15、Fe83B17、Fe80B20和Fe75B25合金的快速凝固過程進(jìn)行了模擬,模擬得到的Rc分別為4.3×106 K/s、4.0×106 K/s、3.25×106 K/s、2.0×106 K/s、3.4×106 K/s和3.5×106 K/s。Fe83B17具有小的Rc,說明該成分在上述合金中GFA佳,這與實驗結(jié)果相吻合。表明相場法可以有效地研究快速凝固過程中非晶的結(jié)構(gòu)弛豫、晶核的臨界形核和生長過程。再次,采用相場法模擬了銅模快速凝固過程中,高溫熔體注入過冷銅模瞬間溫度的演變,驗證了銅?？焖賹?dǎo)熱下溫度梯度的存在,并研究了溫度梯度對單相合金枝晶形貌、溶質(zhì)場分布及枝晶*生長速度的影響。在溫度梯度分布下,枝晶的生長速度及生長形態(tài)均產(chǎn)生變化,形貌呈現(xiàn)各向異性,形成類似圓錐狀的枝晶,而不是傳統(tǒng)的四軸對稱。隨著溫度梯度的增大,枝晶生長速度不斷增大,且溶質(zhì)截留現(xiàn)象越來越明顯。
結(jié)果表明,相場模擬可以給銅?？焖倌踢^程中溫度演變及溫度分布對枝晶形貌的影響提供動態(tài)可觀測的研究。后,采用相場法模擬了銅模快速凝固過程中Nd-Fe-B多元多相永磁合金的凝固競爭過程,發(fā)現(xiàn)靠近銅模的區(qū)域,在*的過冷度下,有非晶相的出現(xiàn),部分夾雜著T1相和T2相組織;緊鄰非晶區(qū)域,T1相和T2相組織呈現(xiàn)均勻、細(xì)小的近球形狀;越往凝固中心區(qū)域,晶核尺寸也相對較為粗大,且分布極不均勻。整體組織和溶質(zhì)呈現(xiàn)明顯的不均勻分布和區(qū)域性。銅模外表面冷卻速度不一樣,直接影響凝固組織中非晶相、細(xì)小均勻晶粒及粗大晶粒的比例。冷卻速度越大,非晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)厚度明顯增大,整體上組織的尺寸變小、均勻度提高,溶質(zhì)的偏析現(xiàn)象減小。外加磁場對晶粒細(xì)化有一定作用,但細(xì)化效果并不明顯。結(jié)果表明,相場法可以直接、動態(tài)地研究銅?？焖倌踢^程中外加工藝條件與微觀組織的定量關(guān)系。混合導(dǎo)體透氧膜是一類致密的、同時具有氧離子導(dǎo)電性能和電子導(dǎo)電性能的陶瓷膜。透氧膜在700℃以上溫度時對氧的選擇特性使其在氧分離、富氧燃燒和涉氧化工過程等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而傳統(tǒng)膜成型-燒結(jié)制備方法存在膜脆性大、機(jī)械強(qiáng)度低、高溫下不易連接密封等缺點,導(dǎo)致透氧膜難以進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用。為解決這些問題,研究者提出制備由致密膜層和多孔金屬支撐體組成的具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的擔(dān)載型透氧膜,但由于多孔金屬支撐體與膜材料無法共燒結(jié),采用傳統(tǒng)方法則很難制備金屬擔(dān)載型膜。新發(fā)展的超低壓等離子物理氣相沉積技術(shù)（PS-PVD）為制備擔(dān)載型膜提供了有效手段,但由于PS-PVD制備時需要較高真空度,導(dǎo)致其制備成本大幅增加,因此本文擬采用更為廉價的超音速等離子噴涂技術(shù)（SAPS）來進(jìn)行膜層制備。
本論文選取了一種具有典型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ材料作為研究對象,并利用SAPS和PS-PVD技術(shù)制備了相關(guān)具有致密結(jié)構(gòu)的膜層,之后比較了兩膜在微觀結(jié)構(gòu)、組織成分、高溫穩(wěn)定性、透氧性能和氧離子電子傳導(dǎo)性能等方面的差異,進(jìn)而考察了SAPS制備透氧膜的可行性。兩膜層結(jié)構(gòu)成分對比結(jié)果表明,SAPS制備膜內(nèi)部存在較多納米晶粒,而PS-PVD膜則多為大尺寸晶粒,選區(qū)電子衍射花樣結(jié)果顯示SAPS膜晶格常數(shù)約為0.265nm,PS-PVD膜約為0.245nm,表明SAPS膜關(guān)口尺寸高于PS-PVD膜,使膜層中氧離子更易于在晶格中跳躍。兩膜高溫穩(wěn)定性對比結(jié)果反映,PS-PVD膜經(jīng)歷熱過程后會形成許多縱向貫穿性裂紋,而SAPS膜內(nèi)部存在的大量縱向納米裂紋避免了貫穿性裂紋的形成,使SAPS膜層在850℃下,加熱25h后仍保持較為致密的結(jié)構(gòu)。SAPS膜中納米晶粒在熱過程中會優(yōu)先長大,延緩其在高溫空氣氣氛和低氧分壓氣氛下相分解,使其在上述氣氛下的化學(xué)穩(wěn)定性要優(yōu)于PS-PVD膜。兩膜在還原性、CO2和水蒸氣等反應(yīng)氣氛下穩(wěn)定性均一般。但相比而言,PS-PVD膜由于較小的晶格常數(shù)和制備過程中所形成CoO相,使其對上述反應(yīng)氣氛的耐受能力稍強(qiáng)于SAPS膜。本工作*制備出一種高強(qiáng)度、大尺寸的多孔金屬支撐型管式透氧膜,并研制出一種可進(jìn)行冷端密封的管式膜透氧反應(yīng)器用于進(jìn)行SAPS和PS-PVD膜層透氧測試。測試結(jié)果反映,兩膜層均具備透氧功能,其中SAPS膜可將吹掃空氣中氧氣/氮?dú)怏w積比由1/4.6提高至1/2.3,其透氧通量（JO2）高為0.34×10-4ml/cm2·min;而PS-PVD膜則能提高至1.2/1,高透氧通量則為6.1×10-4ml/cm2·min。進(jìn)一步研究表明多孔金屬的氧化導(dǎo)致膜層的透氧通量顯著偏低。
為反映兩膜的透氧能力,本文利用氧程序升溫脫附（O2-TPD）技術(shù)和四電極法測電導(dǎo)率等方法,對比了兩膜層中氧離子和電子傳導(dǎo)性能。結(jié)果表明,常溫下SAPS膜電導(dǎo)率為0.21（Ω·cm）-1,PS-PVD膜電導(dǎo)率遠(yuǎn)低于SAPS膜,高僅為6.0×10-3（Ω·cm）-1;而SAPS膜的物理吸附氧脫附量、化學(xué)吸附氧脫附量和晶格氧脫附量分別超過PS-PVD膜的2倍、3倍和6倍,顯示SAPS膜對氧具有更好的吸附及解離能力、更多的本征氧空位及更高的晶格氧遷移能力。上述兩點證明SAPS膜透氧能力要優(yōu)于PS-PVD膜。進(jìn)一步研究表明,PV-PVD膜中帶狀分布的CoO相阻礙了氧離子和電子的遷移,是導(dǎo)致其氧離子電子傳導(dǎo)性能不佳的主要原因。在空發(fā)動機(jī)的高溫高壓工作環(huán)境下,常規(guī)鈦合金材料因具有較大的燃燒敏感性,在使用上受到了*的限制。發(fā)生“鈦火”事故的概率也隨著發(fā)動機(jī)用鈦量的增加而增大。阻燃鈦合金的發(fā)明成為解決“鈦火”事故直接有效的途徑,也是*高推重比發(fā)動機(jī)成功設(shè)計和生產(chǎn)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。Ti40阻燃鈦合金在高溫變形韌性開裂準(zhǔn)則和熱加工圖等方面的研究較多,但對于WSTi3515S阻燃鈦合金的熱變形的開裂機(jī)理、再結(jié)晶機(jī)制和組織演變等基礎(chǔ)研究及熱物理性能等應(yīng)用性能方面尚未進(jìn)行深入研究。目前Ti-V-Cr系阻燃鈦合金的熱變形基礎(chǔ)及應(yīng)用性能研究存在的主要問題有:研究欠全面,主要集中在Ti40合金,且研究對象主要為小型鑄錠或小試樣;單相組織晶粒細(xì)化尚未建立工程化物理模型,未明確不同阻燃鈦合金顯微組織中的各種析出物;應(yīng)用性能研究以常規(guī)性能為主,而更為基礎(chǔ)的熱物理性能反而未見研究報道;這些都嚴(yán)重制約了國產(chǎn)阻燃鈦合金材料的推廣應(yīng)用和工程化進(jìn)程。
MonelK500鋼板生產(chǎn)通過真空自耗電弧熔煉（VAR）試驗、熱模擬壓縮試驗、工程化坯料物理模擬鐓粗試驗、熱擠壓開坯試驗和包套自由鍛造試驗,結(jié)合組織觀察（OM、SEM、EBSD、EDS、XRI和TEM）、熱物理性能以及力學(xué)性能等測試分析手段,對Ti-V-Cr系阻燃鈦合金WSTi3515S和Ti40合金的開裂機(jī)理、熱變形過程中的再結(jié)晶行為和組織演化以及工程化制備方法進(jìn)行了研究,對比分析了兩種典型阻燃鈦合金的開裂行為、微觀組織、力學(xué)性能和熱物理性能,探索了阻燃鈦合金大型鑄錠和大尺寸板坯的工程化制備新方法,建立了Ti-V-Cr系阻燃鈦合金晶粒細(xì)化的物理模型和熱物理性能與溫度關(guān)系數(shù)學(xué)方程,并揭示了其熱變形開裂機(jī)理和再結(jié)晶機(jī)制。獲得的主要研究成果和結(jié)論如下:（1）基于熱模擬壓縮試驗和小鑄錠物理模擬鐓粗試驗,對Ti-V-Cr系阻燃鈦合金熱變形行為進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)該合金熱變形過程中易發(fā)生開裂,歸納出該合金典型的3種開裂形式為:45°剪切開裂、沿“界”開裂和放射狀開裂。對其開裂行為研究表明,Ti-V-Cr系阻燃鈦合金熱變形開裂機(jī)制與應(yīng)力狀態(tài)、高溫氧化、析出物形態(tài)等因素密切相關(guān);坯料表面的拉應(yīng)力、析出物以及高溫氧化等促進(jìn)了孔洞和裂紋的形成,終在薄弱界面處“爆發(fā)”,并不斷向薄弱方向延伸擴(kuò)展。