Cu-55Sn亚包晶合金的定向凝固组织研究 - 图文-

1、Cu 255Sn 亚包晶合金的定向凝固组织研究吕海燕李双明刘林傅恒志(西北工业大学摘要考察了定向凝固速率在0.5100m /s 范围内的Cu 255Sn 亚包晶合金凝固组织及凝固速率对微观组织形态、界面温度及相含量的影响。结果表明,定向凝固组织由初生相、包晶相和共晶体(+Sn 组成。定向凝固速率在0.5110m /s 范围内时,初生相连为一体,包晶相呈块状嵌于初生相内;当凝固速度大于5m /s,组织为常见的包晶相包裹相的板条状,其中相为领先相,不能形成相和相等温界面的耦合生长,与最高界面生长温度假设的分析相一致。定向凝固过程中包晶转变不明显,包晶相大部分由液相直接凝固而成,并且随冷却速度增大,

2、凝固时间减少,包晶相含量先增后减,在10m /s 附近出现极值。关键词Cu 255Sn 亚包晶合金;定向凝固;相含量中图分类号TG132.32文献标志码A 文章编号1001-2249(200612-0753-04收稿日期:2006-07-21基金项目:国家自然科学基金资助项目(50395102,50401014第一作者简介:吕海燕,女,1973年出生,博士研究生,西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安(710072,电话029*,E 2mail:xgdlvhaiyan金属间化合物由于具有高强度、高硬度、良好的耐高温性以及特殊的物理、化学和生物等性能,目前逐渐成为材料制备研究的热点之一。而在这

3、些金属间化合物中许多是通过包晶反应产生的,如磁性材料Nd 2Fe 2B 中的T 1相(Nd 2Fe 14B 、高温超导材料Y 2Ba 2Cu 2O 中的123相(Y Ba 2Cu 3O 7等13。在凝固过程中它们一般呈现特定界面的小平面生长方式,有较强的生长各向异性,控制较难,且小平面包晶相的大小、形态和数量对材料性能有重大影响。Cu 255Sn 亚包晶合金析出的初生相和包晶相皆为固溶度很小的金属间化合物相,呈小平面生长4。本课题通过考察此合金定向凝固过程中相和包晶相的形态、尺度、分布及相对含量随凝固工艺参数的变化规律,来探讨包晶相的生长机制,并进一步讨论此类亚包晶成分合金能否形成如Fe 2N

4、 i 包晶合金体系等出现的带状组织或共生生长现象5。1试验方法以纯度为99.9%的电解铜和99.9%的分析纯Sn 粒作原料,按Cu 255Sn 配好(包晶点成分Sn 的质量分数为59%,在真空感应炉中加热熔化浇注成8mm 120mm 试棒,凝固试样为6.9mm 100mm 。采用I CP 分析试样成分,测得Sn 的质量分数为55.3%,与名义成分基本相符。试验在自制的亚快速定向凝固装置中进行,通过感应加热石墨套,再由石墨套辐射加热刚玉坩埚(7.2mm 115mm 中的试样使其熔化,其中石墨套的加热温度为950,保温25m in 使合金成分均匀,再以不同速率抽拉实现定向凝固。试验选择的抽拉速率为

5、015、016、110、210、510、1010、3010、5010和10010m /s,拉60mm 长后快淬。用N i Cr 2N iSi 热电偶及LR4100型函数记录仪进行温度场测试,测定出凝固速率为1010和5010m /s 下的温度梯度分别为172K/c m 和167K/c m 。对凝固后试样进行研磨抛光和腐蚀处理,其腐蚀剂成分为5g 的FeCl 3+10mL 的HCl +100mL 的H 2O 。采用Leica DM4000M 型光学显微镜观察组织,并用其附带的SI SC I A S V8.0金相图像分析软件测量不同凝固工艺参数下各相的体积分数及相的相对大小。2试验结果及讨论2.1

6、低速定向凝固下的界面形态一般来说,包晶相的生长可通过包晶反应(+L、固相包晶转变(和液相的直接凝固(L 3种方式进行6,而包晶合金凝固的固液界面形态可以很好地反映包晶相的生长机制及相选择规律。图1是Cu 255Sn 合金在定向凝固速率为0.6m /s 和2m /s 下获得的淬火界面,其中图1a 和图1c 分别为固液界面形态,而图1b 和图1d 为其发生包晶反应+L 的界面。从该界面以下凝固的部分才出现包晶相,所以图1的凝固组织中灰色相为初生相,白色相为包晶相,而黑色相为淬火后由余留液相凝固的共晶体(+Sn ,共有3相组成,这与平衡凝固下仅有相和包晶相有很大的不同。另外,从图1可明显看出灰色板条

7、状的相领先白色包晶相生长,且在016m /s 下相生长方向与热流方向呈一定夹角(见图1a ,而当凝固速率增加到2m /s 时,相板条与热流方向一致,(见图1c 。由于从/L 固液界面到开始包晶反应,板条的生长始终在357试验研究特种铸造及有色合金2006年第26卷第12期进行,导致相不断熟化和粗化,有的甚至连为一体,连接处也观察不到晶界的存在,见图1b,因此若用单相合金凝固理论来计算低速下的相板条枝晶尺度,也仅能计算出图1a 中液固界面处相枝晶的尺度,而非图1b中最终粗化的相尺度,所以在该类成分的包晶合金中用已凝固的组织来推算其固液界面形态,会存在较大偏差,而这一点在单相合金(凝固后合金不发生

8、固相相变凝固组织分析时经常使用 。(a V =016m /s 时/L 界面(b V =016m /s 时包晶反应界面(c V =2m /s 时/L 界面(d V =2m /s 时包晶反应界面图1Cu 255Sn 合金在定向凝固速率为0.6和2m /s 时的淬火界面在包晶反应界面处(见图1b 和图1d ,包晶相依附于相表面生长。包晶反应前后,初生相的形貌轮廓变化不明显,包晶反应和包晶扩散导致相吞噬的现象不显著,生成的包晶相很少,绝大部分包晶相以直接凝固方式向过冷液相L (黑色中侧向长大。另外,、和液相L 三相接触点参差错落,可见包晶反应界面并非为严格意义上的等温面,且初生相一直遥遥领先于包晶相,

9、 因此这两相不能形成如Fe 2N i 包晶合金中出现的类共晶的等温共生生长组织5。2.2不同定向凝固速率下的稳态生长组织图2是Cu 255Sn 合金凝固速率分别为01510、110、510、1010、3010和10010m /s 时的稳态生长横截面组织,而图3是凝固速率为110、510、5010和10010m /s 时的纵截面组织。由杠杆定律可知,平衡凝固下 Cu 255Sn 合金组织中(a V =015m /s (b V =110m /s (c V =510m /s (d V =1010m /s (e V =3010m /s (f V =10010m /s图2不同定向凝固速率下Cu 255S

10、n 包晶合金的横截面组织(a V =110m /s (b V =510m /s (c V =5010m /s (d V =10010m /s图3不同定向凝固速率下Cu 255Sn 包晶合金的纵截面组织初生相的体积分数为1915%,其余全为包晶相。但由于包晶合金定向凝固为非平衡凝固,包晶反应通常不能完全进行,使得最终凝固组织中依然存在大量的初生相及少量剩余液相转变成的共晶体。且随着凝固速率的不同,组织中各相的形态及含量也会发生变化,如在0.5110m /s 的低速定向凝固范围内,灰色相连为一体,白色包晶相和少量黑色共晶体呈离散块状嵌于初生相内,这主要是因为相领先包晶相生长很多,两相之间结晶温度间

11、隔很大(225K ,因此在发生包晶反应生成相之前,相已充分长大,使得枝间剩余液相呈现离散状态,导致随后的包晶反应只能在此小空间进行,形成了相基体内镶嵌包晶相的组织,而不是相镶嵌在包晶相的常规组织形态。另外015m /s 下包晶相形貌呈现出规则的四方形,反映出其小平面生长的方式,见图2a 。当定向凝固速率增加到1m /s 时,相晶粒变得细小,同时晶粒数目增多457特种铸造及有色合金2006年第26卷第12期见图2b;当抽拉速度为510m /s 时,包晶相已逐渐连成薄层,凝固组织转变为常见的包晶相包裹相的板条状,和板条光滑平整,并沿热流方向定向生长,见图3b 。随着凝固速率进一步增大,板条分裂细化

12、,板条间剩余液相增多,包晶相层则由薄变厚再变薄,组织始终保持良好的定向效果。2.3定向凝固组织中领先相的确定包晶合金中存在初生相与包晶相的竞争形核和生长7,8。定向凝固中界面温度较高的相和形态由于在凝固动力学上较稳定,在生长中占据主导地位。为此,对Cu 255Sn 亚包晶合金在不同凝固速率下和相界面温度分布进行了计算。根据界面响应函数,定向生长的和相枝晶的界面温度为9:T id =T iL -G L D Lv-T id (i =,(1式中,T iL 为成分C 0合金的液相线温度;G L 为液相温度梯度;D L 为液相扩散系数;v 为凝固速率;T id 为枝晶生长尖端的过冷度,T id =iT

13、i k i v 3D L015(2式中,i 为Gibbs 2Thomp shon 系数;T i 为结晶温度间隔;3为边缘稳定性参数,其值为010253;k i 为平衡溶质分配系数,由于凝固过程中和相的固相成分变化很小,而液相成分始终在增加,因此k i 值是变化的。为了简化计算,采用有效溶质分配系数来替代,分别取k =C C O,k =C C LO,其中C LO 为发生包晶反应对应的液相成分,此k i 值在凝固中均保持不变。表1列出了计算所需的Cu 255Sn 合金的物性参数,而计算所得的和两相的界面温度与凝固速率的关系曲线见图4。图4Cu 255Sn 不同凝固速率下和相的界面温度分布表1Cu

14、255Cu 亚包晶合金的热物性参数10,11T L /K T L /K T /K T /K /(m K /(m K D L /(m 2s -1k s k 913688225188510-7210-7510-90.700.64从图4中可看出,Cu 255Sn 亚包晶合金在凝固速率0.5100m /s 范围内,相的界面温度始终远高于相,表明相为初生相,它领先于相生长,理论计算结果与试验一致。当凝固速率很低时,和两相的界面温度均很低;随凝固速率的增加,界面温度升高,在10m /s 附近达到最大,试验结果也发现凝固速率为1010m /s 的图2d 中包晶相层厚度最大,说明了包晶相的含量与界面温度密切相

15、关,此点值得关注。随后定向凝固速率继续增大,两相凝固界面温度却变化不大,稍呈下降趋势,见图4。2.4凝固速率对相含量的影响及包晶相的生长机制图5是试验测量的稳态定向凝固(横截面组织中、和共晶体(+Sn 的体积分数随凝固速率的变化曲线,从中可看出Cu 255Sn 亚包晶凝固中相占大部分(达66%95%,其体积分数远高于平衡凝固下的19.5%。而在510m /s 以内的低速定向凝固下,各相的体积分数变化不大,包晶相含量不足10%,说明相通过固相扩散转变为包晶相的包晶转变机制(不明显。这主要是因为包晶转变的速率由固相扩散来控制,与相图形状及包晶相的扩散系数有关12。对于Cu 255Sn 而言,一方面

16、,包晶相为金属间化合物,相仅在相当窄的成分范围内存在,使得包晶转变的扩散驱动力很小(与包晶相的成分存在范围成正比;另一方面,由图4中所示的界面温度分布曲线可知,在510m /s 以内的低速定向凝固范围内,相与包晶相的生长界面温度都很低,造成固相扩散系数很小,二者综合起来使得包晶转变即使有充分的时间也很难进行或者进行很慢,最终外在表现为凝固组织的相表面平坦光滑,见图2和图3 。除此之外,充分长大的初生相及枝晶间少量的剩余液相也使得包晶相没有足够的生长空间向过冷液相生长,这样包晶相向液相发生直接凝固(L 也受到了抑制,最终造成低速凝固下包晶相的含量很少。图5Cu 255Sn 中不同凝固速率下各相的

17、体积分数变化当凝固速率大于510m /s,相板条分裂细化,板条间液相增多,从而增大了包晶相向液相侧向生长的空间,相层增厚。在定向凝固速率1010m /s 时,包晶相体积分数达到极大值,说明该条件下包晶相的生长速率与凝固时间的乘积达到最大。当凝固速率进一步增大时,凝固时间缩短,相层变薄,同时凝固速率的增加也使液态金属过冷增大,相形核率增加,板条数量增多,所以当凝固速率达到10010m /s 时,557Cu 255Sn 亚包晶合金的定向凝固组织研究吕海燕等电熔剂法净化处理铝熔体的试验研究阎峰云1郝远1黄秀玲2肇玉卿3吴正德3(11兰州理工大学;21玉门石油管理局炼油化工总厂;31兰州铝业股份有限公

18、司摘要用正交试验方法研究了电熔剂法净化处理铝熔体的影响因素,以铝熔体中的夹杂含量为考察指标,通过对试验数据的极差和方差分析,确定了最佳工艺组合及不同影响因素的显著性,并对电熔剂法净化机理进行了初步分析。结果表明,熔剂层厚度是影响净化效果的最主要因素,最佳的工艺条件为:熔剂层厚度为30mm,流股直径为7mm,电流强度为15A,精炼温度为700。关键词铝熔体;电熔剂法;夹杂物;正交试验中图分类号TG290;TG113126文献标志码A文章编号1001-2249(200612-0756-03精益加工对生产板、带、箔等铝及其合金原料的塑性提出了更高的要求,其关键的技术之一是控制和降低合金中夹杂物的含量

19、,即对铝液的净化效果提出了更高的要求。但传统的过滤技术只能有效地清除毫米级大小的非金属夹杂物,旋转喷吹法也只能使每100g铝液中的氢含量降低到0106mL,且只能除去部分小尺寸夹杂物。所以去除含量低、尺寸小的非金属夹杂物是铝熔体净化的重点和难点所在。电熔剂净化法是20世纪70年代以来,苏联铝加工生产中采用的一种铝液净化方法。它是用液体熔剂和外加电场对铝液进行连续净化,对净化铝液中的微量、细小非金属夹杂物非常有效。本研究通过正交试验分析了电熔剂净化法的主要影响因素,以便使得这种有效的净化工艺在实际生产中得到应用。1试验材料与方法试验用原材料为1号工业纯铝。熔炼设备为3k W收稿日期:2006-0

20、9-29基金项目:甘肃省自然科学基金资助项目(ZS0312A2520292C;甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室开放基金(SK L03001资助项目第一作者简介:阎峰云,男,1962年出生,教授,兰州理工大学,甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州(730050,电话:0931-*, E-mail:yanfy相的体积分数又表现出了增加的趋势,这也可从图2中看出。可见,不同的定向凝固速率,使得包晶相的生长驱动力及生长的时空条件不同,从而导致了定向凝固组织中包晶相含量随凝固速度的变化。3结语(1Cu255Sn亚包晶合金定向凝固组织由初生相、包晶相和共晶体(+Sn组成,与平衡凝固下

21、仅有初生相和包晶相不同;定向凝固速率在0151m/s内,相连为一体,包晶相呈块状嵌于相内,而当定向凝固速率大于5m/s,凝固组织为常见的包晶相包裹相的板条状组织形态。(2在015100m/s的定向凝固速率范围内,相凝固界面温度始终高于包晶相,不能形成相和相等温界面的耦合共生生长。(3Cu255Sn亚包晶合金定向凝固过程中包晶转变不明显,大部分包晶相是由液相直接转变而成,并且在10m/s附近包晶相含量出现极值。参考文献1Knock K G,Reinsch B,Petzow G Z.NdFe B2Its Regi on of Pri m ary Solidi2ficati on.Z.Metallk

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