MonelK500钢板生产本论文主要包括两大部分,一是通过相场模拟提出两种不同的方法得到Rc作为Fe-B非晶软磁合金GFA直接的表征参数,并研究其深层次物理机制;二是研究铜模快速凝固过程中温度梯度分布及外加工艺参数对Nd-Fe-B永磁合金的凝固微观组织演变的影响。首先,基于等温WBM（Wheeler-Boettinger-McFadden）相场模拟得到Fe-B二元软磁合金体系的TTT（Time-Temperature-Transformation）曲线图,并计算其Rc作为GFA直接的表征参数。随后,研究界面迁移率中不同激活能E和形核率中不同热激活能Q取值下,界面迁移率和形核率对Fe75B25二元合金的Rc及GFA的影响。在目前模拟精度下,界面迁移率中热激活能E对TTT曲线图鼻尖温度和时间影响较小。在形核率中热激活能Q作用下,鼻尖温度有所上升,说明Q控制着鼻尖的温度,但过高的Q值将得不到完整的C形。

在三个不同激活能下,TTT曲线鼻尖处的温度和时间分别为500 K、600 K、775 K和6.2×10-4 s、4.5×10-4 s、9.45×10-4 s,计算的Rc分别为1.56×106 K/s、1.93×106K/s和7.345×105 K/s,均处于实验值6.4×105 K/s6.8×106 K/s的范围内,验证了相场法在合适的热物性参数选取下对非晶合金GFA预测方面的可行性。其次,采用多元-多序参量相场CF-MPF（Continuum-field-multi-phase-field）模型模拟了不同冷却速度下,Fe1-xBx（x=9、11、15、17、20和25）二元合金快速凝固过程中玻璃转变、晶相与非晶相的竞争过程。研究发现,在玻璃转变温度Tg以上,体系仍保持液相,只有当温度接近并降到Tg以下时,非晶团簇才会不断形成,形成速度很快,但生长速度很慢,类似于爆炸形核。在不同冷却速度下,对Fe91B9、Fe89B11、Fe85B15、Fe83B17、Fe80B20和Fe75B25合金的快速凝固过程进行了模拟,模拟得到的Rc分别为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,说明该成分在上述合金中GFA佳,这与实验结果相吻合。表明相场法可以有效地研究快速凝固过程中非晶的结构弛豫、晶核的临界形核和生长过程。再次,采用相场法模拟了铜模快速凝固过程中,高温熔体注入过冷铜模瞬间温度的演变,验证了铜模快速导热下温度梯度的存在,并研究了温度梯度对单相合金枝晶形貌、溶质场分布及枝晶*生长速度的影响。在温度梯度分布下,枝晶的生长速度及生长形态均产生变化,形貌呈现各向异性,形成类似圆锥状的枝晶,而不是传统的四轴对称。随着温度梯度的增大,枝晶生长速度不断增大,且溶质截留现象越来越明显。
结果表明,相场模拟可以给铜模快速凝固过程中温度演变及温度分布对枝晶形貌的影响提供动态可观测的研究。后,采用相场法模拟了铜模快速凝固过程中Nd-Fe-B多元多相永磁合金的凝固竞争过程,发现靠近铜模的区域,在*的过冷度下,有非晶相的出现,部分夹杂着T1相和T2相组织;紧邻非晶区域,T1相和T2相组织呈现均匀、细小的近球形状;越往凝固中心区域,晶核尺寸也相对较为粗大,且分布极不均匀。整体组织和溶质呈现明显的不均匀分布和区域性。铜模外表面冷却速度不一样,直接影响凝固组织中非晶相、细小均匀晶粒及粗大晶粒的比例。冷却速度越大,非晶区和细晶区厚度明显增大,整体上组织的尺寸变小、均匀度提高,溶质的偏析现象减小。外加磁场对晶粒细化有一定作用,但细化效果并不明显。结果表明,相场法可以直接、动态地研究铜模快速凝固过程中外加工艺条件与微观组织的定量关系。混合导体透氧膜是一类致密的、同时具有氧离子导电性能和电子导电性能的陶瓷膜。透氧膜在700℃以上温度时对氧的选择特性使其在氧分离、富氧燃烧和涉氧化工过程等领域具有广阔的应用前景。然而传统膜成型-烧结制备方法存在膜脆性大、机械强度低、高温下不易连接密封等缺点,导致透氧膜难以进入工业应用。为解决这些问题,研究者提出制备由致密膜层和多孔金属支撑体组成的具有复合结构的担载型透氧膜,但由于多孔金属支撑体与膜材料无法共烧结,采用传统方法则很难制备金属担载型膜。新发展的超低压等离子物理气相沉积技术（PS-PVD）为制备担载型膜提供了有效手段,但由于PS-PVD制备时需要较高真空度,导致其制备成本大幅增加,因此本文拟采用更为廉价的超音速等离子喷涂技术（SAPS）来进行膜层制备。
本论文选取了一种具有典型钙钛矿结构的La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ材料作为研究对象,并利用SAPS和PS-PVD技术制备了相关具有致密结构的膜层,之后比较了两膜在微观结构、组织成分、高温稳定性、透氧性能和氧离子电子传导性能等方面的差异,进而考察了SAPS制备透氧膜的可行性。两膜层结构成分对比结果表明,SAPS制备膜内部存在较多纳米晶粒,而PS-PVD膜则多为大尺寸晶粒,选区电子衍射花样结果显示SAPS膜晶格常数约为0.265nm,PS-PVD膜约为0.245nm,表明SAPS膜关口尺寸高于PS-PVD膜,使膜层中氧离子更易于在晶格中跳跃。两膜高温稳定性对比结果反映,PS-PVD膜经历热过程后会形成许多纵向贯穿性裂纹,而SAPS膜内部存在的大量纵向纳米裂纹避免了贯穿性裂纹的形成,使SAPS膜层在850℃下,加热25h后仍保持较为致密的结构。SAPS膜中纳米晶粒在热过程中会优先长大,延缓其在高温空气气氛和低氧分压气氛下相分解,使其在上述气氛下的化学稳定性要优于PS-PVD膜。两膜在还原性、CO2和水蒸气等反应气氛下稳定性均一般。但相比而言,PS-PVD膜由于较小的晶格常数和制备过程中所形成CoO相,使其对上述反应气氛的耐受能力稍强于SAPS膜。本工作*制备出一种高强度、大尺寸的多孔金属支撑型管式透氧膜,并研制出一种可进行冷端密封的管式膜透氧反应器用于进行SAPS和PS-PVD膜层透氧测试。测试结果反映,两膜层均具备透氧功能,其中SAPS膜可将吹扫空气中氧气/氮气体积比由1/4.6提高至1/2.3,其透氧通量（JO2）高为0.34×10-4ml/cm2·min;而PS-PVD膜则能提高至1.2/1,高透氧通量则为6.1×10-4ml/cm2·min。进一步研究表明多孔金属的氧化导致膜层的透氧通量显著偏低。
为反映两膜的透氧能力,本文利用氧程序升温脱附（O2-TPD）技术和四电极法测电导率等方法,对比了两膜层中氧离子和电子传导性能。结果表明,常温下SAPS膜电导率为0.21（Ω·cm）-1,PS-PVD膜电导率远低于SAPS膜,高仅为6.0×10-3（Ω·cm）-1;而SAPS膜的物理吸附氧脱附量、化学吸附氧脱附量和晶格氧脱附量分别超过PS-PVD膜的2倍、3倍和6倍,显示SAPS膜对氧具有更好的吸附及解离能力、更多的本征氧空位及更高的晶格氧迁移能力。上述两点证明SAPS膜透氧能力要优于PS-PVD膜。进一步研究表明,PV-PVD膜中带状分布的CoO相阻碍了氧离子和电子的迁移,是导致其氧离子电子传导性能不佳的主要原因。在空发动机的高温高压工作环境下,常规钛合金材料因具有较大的燃烧敏感性,在使用上受到了*的限制。发生“钛火”事故的概率也随着发动机用钛量的增加而增大。阻燃钛合金的发明成为解决“钛火”事故直接有效的途径,也是*高推重比发动机成功设计和生产的关键基础。Ti40阻燃钛合金在高温变形韧性开裂准则和热加工图等方面的研究较多,但对于WSTi3515S阻燃钛合金的热变形的开裂机理、再结晶机制和组织演变等基础研究及热物理性能等应用性能方面尚未进行深入研究。目前Ti-V-Cr系阻燃钛合金的热变形基础及应用性能研究存在的主要问题有:研究欠全面,主要集中在Ti40合金,且研究对象主要为小型铸锭或小试样;单相组织晶粒细化尚未建立工程化物理模型,未明确不同阻燃钛合金显微组织中的各种析出物;应用性能研究以常规性能为主,而更为基础的热物理性能反而未见研究报道;这些都严重制约了国产阻燃钛合金材料的推广应用和工程化进程。
MonelK500钢板生产通过真空自耗电弧熔炼（VAR）试验、热模拟压缩试验、工程化坯料物理模拟镦粗试验、热挤压开坯试验和包套自由锻造试验,结合组织观察（OM、SEM、EBSD、EDS、XRI和TEM）、热物理性能以及力学性能等测试分析手段,对Ti-V-Cr系阻燃钛合金WSTi3515S和Ti40合金的开裂机理、热变形过程中的再结晶行为和组织演化以及工程化制备方法进行了研究,对比分析了两种典型阻燃钛合金的开裂行为、微观组织、力学性能和热物理性能,探索了阻燃钛合金大型铸锭和大尺寸板坯的工程化制备新方法,建立了Ti-V-Cr系阻燃钛合金晶粒细化的物理模型和热物理性能与温度关系数学方程,并揭示了其热变形开裂机理和再结晶机制。获得的主要研究成果和结论如下:（1）基于热模拟压缩试验和小铸锭物理模拟镦粗试验,对Ti-V-Cr系阻燃钛合金热变形行为进行了研究,发现该合金热变形过程中易发生开裂,归纳出该合金典型的3种开裂形式为:45°剪切开裂、沿“界”开裂和放射状开裂。对其开裂行为研究表明,Ti-V-Cr系阻燃钛合金热变形开裂机制与应力状态、高温氧化、析出物形态等因素密切相关;坯料表面的拉应力、析出物以及高温氧化等促进了孔洞和裂纹的形成,终在薄弱界面处“爆发”,并不断向薄弱方向延伸扩展。