非平衡凝固理论的发展_王海丰.pdfVIP

中国科学: 技术科学 2015 年 第45 卷 第4 期: 358 ~ 376 《中国科学》杂志社 评 述 SCIENCE CHINA PRESS 非平衡凝固理论的发展 * * 王海丰 , 王慷, 况望望, 刘峰 西北工业大学凝固技术国家重点实验室, 西安 710072 * E-mail: haifengw81@; liufeng@ 收稿日期: 2014-07-26; 接受日期: 2014-09-05 国家杰出青年科学基金(批准号:、国家重点基础研究发展计划(编号: 2011CB610403)、国家自然科学基金(批准号: 、西北工业大学基础研究基金(批准号: J及凝固技术国家重点实验室自主课题(编号: 92-QZ-2014)资助项目 摘要 近年来, 非平衡凝固技术迅速发展, 但相应的工艺设计仍主要依赖于经验或半定 关键词 量理论, 无法满足当前材料加工过程控制的苛刻要求. 经典凝固理论的建立基于诸多假设, 非平衡凝固 如相图的线性液/ 固相线假设、合金热力学性质的理想稀溶液假设及体系动力学过程的局域 界面动力学 界面稳定性 平衡假设, 其研究对象为模型合金而非实际浓溶液、多元合金等; 经典与现实的差距迫切需 枝晶生长 要突破经典假设的束缚以更好地发挥凝固理论在工艺设计中的指导作用. 本文针对单相固 全转变动力学 溶体合金, 介绍了近年来松弛经典假设后凝固理论的发展. 阐述了基于理想稀溶液假设的 二元合金微观尺度界面动力学、界面稳定性、枝晶生长, 以及耦合微观与宏观的全转变动力 学理论的发展, 阐明了非线性液/ 固相线的重要作用. 针对二元、多元浓溶液合金, 介绍了界 面动力学、界面稳定性和枝晶生长理论的发展, 阐述了组元间互作用的重要性. 当前凝固理 论发展摒弃了诸多经典假设, 缩短了理论研究与实际工业生产的差距, 拓宽了凝固理论的 应用范围, 更准确地描述了非平衡凝固过程, 促进了非平衡凝固理论在工业生产中的应用. 1 引言 有可能突破航空航天材料快速及绿色制造的技术瓶 颈[3]等等. 然而, 与上述非平衡技术息息相关的工艺 随着非平衡凝固技术的迅速发展, 亚稳材料不 设计目前仍主要依赖于经验或半定量理论, 无法满 断涌现; 非平衡技术在改进传统材料、开发新材料、 足当前材料加工过程控制的苛刻要求, 迫切需要人 革新生产技术、提高科学认知等方面均已取得令人瞩 们在凝固理论研究方面有新的突破. 目的成就. 例如, 等离子束表面涂层冶金技术克服了 当前, 凝固理论基于诸多假设, 如相图的线性液 现有钢铁材料表面强化技术的局限性, 推动了表面 / 固相线假设、合金热力学性质的理想稀溶液假设及 工程的发展[1]; 半固态处理结合水冷铜模吸铸制备出 合金动力学过程的局域平衡假设, 其研究对象为模 的高强、高韧枝晶-非晶自生复合材料为新型结构材 型合金而非实际中的浓溶液、多元合金等[4], 当前理 料设计提供了新思路[2]; 激光增材制造(3-D 打印)技 论虽然