Solidification mechanism and microstructure evolution of refractory Nb-Si and Nb-Si-Zr alloys aboard China Space Station

本文报道了在中国空间站成功开展的Nb-Si和Nb-Si-Zr合金凝固实验, 研究了微重力弱自然对流下合金的凝固组织形成机理, 揭示了二元Nb84.1Si15.9亚共晶、Nb82.7Si17.3共晶和三元Nb72Si22Zr6过共晶的亚稳液态密度、凝固表面缩孔形貌与微观组织变化规律. 结果表明, 亚共晶和共晶表面缩孔均在以多个形核点为中心凝固形成区域的交界处形成缩孔, 但在三个及以上固态区域的交界处, 亚共晶出现的是多个独立分布的具有对称性的(Nb)枝晶, 过共晶表面则表现为均匀的微缩孔结构. 亚共晶和共晶表面的(Nb)枝晶具有二维对称生长和三维取向生长特征, 过共晶表面的Nb3Si/Nb5Si3表现出柱状和鳞片状的特征. 在亚共晶和共晶中还出现了(Nb)/Nb3Si共晶的特殊解耦生长效应. 对于共晶组织, Nb84.1Si15.9亚共晶合金小过冷凝固时呈现为层片状和棒状交替出现, 大过冷为蠕虫状、层片状和小平面状多种特殊生长模式; Nb82.7Si17.3共晶合金小过冷凝固时表现出由形核点向外的辐射状生长; Nb72Si22Zr6过共晶合金大过冷凝固时共晶表现为小平面状和层片状. 理论计算表明, 形核率随过冷度的变化是导致相竞争形核的关键因素, 微重力弱对流下Nb3Si/Nb5Si3枝晶更高的形核率和超快的生长速度使之形成有别于地面凝固的特殊微观组织.