偏晶合金的研究现状

关于偏晶合金的研究蒋旭程0945561211前言：偏晶合金是一种应用广泛的材料，其中许多具有独特的性能，如Cu—Pb 合金是很好的轴承材料，AI—Pb作耐磨材料，而Zn—Bi合金是很好的电化学材料，Bi—Ga合金具有超导性。

可是这类合金在正常凝固中将分离成组元有不同富集的两液相，由于密度的不同，极易产生偏析，严重时会出现组元分层现象，从而限制了这类偏晶舍金在工业上的应用。

为了获得具有均匀弥散相结构的偏晶舍金，近年来各国开展了大量的研究，本文综述了偏晶合金的研究现状及取得的研究成果。

关键词：偏晶合金凝固研究现状1.偏晶合金的凝固特点偏晶合金的典型相图见图1[1]。

在液相线以上，两液相完全混合。

当以一定的速度冷却至液相线温度以下时，就要发生两液相的分离，分离成L1+L2 。

具有偏晶成分的合金m冷却到偏晶反应愠度以下时，就要发生L1→a+ L2的偏晶反应。

反应结果是从L1中分离出固相ɑ及另一成分的液相L2。

L2在ɑ相四周形成并包围L1相，但反应过程取决于L2与ɑ相的润湿程度及Ll和L2 的密度差。

继续冷却时，在偏晶反应温度和图中所示的共晶温度之间，将在原有ɑ相晶体上继续沉积出ɑ相晶体，直到最后剩余的液俸凝固成ɑ+β共晶。

如果ɑ与L2不润湿或L1与L 2的密度差较大，就会发生分层现象。

2.偏晶合金的研究现状2.1 微重力条件下的研究现状偏晶合金由于两相密度差大，在重力作用下，在凝固过程中会发生两相分离，因此，很难得到具有均匀弥散相结构的偏晶合金。

随着空间技术的发展，为偏晶合金的研究和制备提供了新的可能，因为宇宙空间具有许多地面上无法比拟的优越性，其中最重要的就是空间的微重力状态口。

在微重力条件下，使得熔俸中因重力引起的对流以及熔俸中由于组元的密度差引起的沉淀或上浮现象得以消除。

美国国家航空航天局(NASA)首先在落塔上进行了不混溶偏晶合金的凝固试验，1967年前苏联在“联盟6号”宇宙飞船上进行了舍金熔化、凝固和焊接的试验此后，美国、原西德、西欧诸国以及日本等相继开展了空问材料科学研究。

主要运用飞机飞行、空问轨道器运行(空问站)、宇宙飞船、返回式卫星和航天飞机进行试验。

Fredriksson等对Zn一Bi合金在微重力条件下进行了试验，发现对于偏晶点附近(8%Bi)以两种不同的速度进行凝固，得到了具有良好弥散相分布的组织，但粒子尺寸较期望值大，而在Zn一24% Bi和38%的试验结果中发现了大块Bi富积相。

原以为在微重力条件下，自然对流和Stokes流(两相密度不同导致重者下沉轻者上浮)消除的情况下，可以制得具有良好弥散相的偏晶合金，但一些试验结果却出乎人们的意料，得到的仍是粗大的弥散相和一种组分围着另一种组分的大块夹杂的样品。

Bergman等在TEXUS3计划中对Zn-Bi合金的碰撞凝并进行了研究，结果表明其粗化过程远快于只考虑Ostwald 熟化和碰撞两种因素的粗化过程。

Prinz等在TEXUS20计划中对Al—si—Bi合金进行实验，同样发现了试样的润湿和Marangoni对流现象。

Neumann等[8]通过TEXUS39计划完成了Zn-Pb合金实验，获得了电阻与Marangoni对流的关系，且微重力条件下电阻随温度的变化小于重力条件下的变化。

此外，Kneissl等在ESA的Spacelab1上进行Zn基体中Pb粒子的悬浮实验，结果表明所有试样中的Pb粒子均较均匀地分布在试样中。

Ratke 等口阳在EuroMIR95和MIR97实验中分别对Al—Bi和Al—Pb合金进行凝固实验，发现了由于宏观分离引起的第二相粒子的重新分布。

日本国家航天局对偏晶合金的空间凝固进行了一定的研究。

Fujii等口妇利用航天飞机对A1一Pb-Bi 合金进行研究，较以往实验延长了凝固时间，获得了Pb—Bi粒子均匀分布于Al 基体的凝固组织。

Itami等在S520火箭上进行了Bi—Ga合金电阻率测试实验，发现该条件下浓度起伏增长范围较宽，且形核速率得到了抑制。

我国对偏晶合金的间凝固研究晚于欧美等国。

1987年Dar等首次成功地利用返回式卫星进行了Zn-Pb、A1一Pb和Pb—Zn合金的重熔实验，获得了均匀分布的Zn-Pb合金试样，同时在该样品表面靠高温处发现了由Mrangoni对流引起的富Pb粒子聚集现象，以及由润湿行为导致的整个试样表面包裹薄富Pb层现象，而对Pb—Zn 合金样品分析中发现无地面对照样的体积收缩现象。

Huang等利用返回式卫星对Al一95 In合金进行凝固研究，发现空间试样中Al枝晶内存在大量规则分布的In粒子，且Al枝晶边界被In粒子串包围，而地面试样中未见此现象。

Zhang等口利用返回式卫星成功地进行了Bi粒子在Al基体中的Marangoni迁移实验，分析认为当富Bi液滴的Marangoni迁移速率小于固一液界面移动速率时，富Bi 液滴将被凝固界面捕获，可获得均质的偏晶合金，反之富Bi液滴将因表面张力的驱动在Al基体中进行Marangoni迁移而聚积粗化。

中科院金属研究所Huang 等通过无人驾驶飞行器对Al一7 Bi合金进行定向凝固研究，发现空间试样和地面试样中均存在串状Bi粒子，且空间粒子排列较地面粒子排列弯曲，空间试样和地面试样中Bi粒子分布基本相同，但沿凝固方向平均Bi粒子直径截然不同，认为空间条件更有利于粒子粗化。

空间微重力实验成本较高，实施难度较大，虽然取得了一定的研究成果，但由于此条件下其他影响因素如Marangoni对流和熔体与容器的润湿行为的增强，导致实验结果往往达不到预期目标。

因此，空间微重力实验只适合于排除重力影响的偏晶合金凝固组织演变的机理研究。

2.2 磁场作用下偏晶合金组织的形成东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室的王恩刚、左小伟等人通过研究了强磁场对Fe—49Sn和Cu —40Pb偏晶合金凝固组织的取向作用。

得出，在强磁场作用下，Fe—49Sn和Cu—40Pb偏晶合金都形成具有一定取向的凝固组织。

施加10 T强磁场后，α—Fe晶体的磁各向异性和α—Fe枝晶的择优取向促使了Fe—49Sn偏晶合金形成沿平行磁场方向取向排列的富Fe相枝晶凝固组织，α—Fe的(110)晶面衍射强度明显增强；在12 T强磁场作用下，强磁场对富Pb相小液滴运动及凝固前沿熔体流动的抑制作用,促使Cu—40Pb偏晶合金试样中心形成较长的规则排列的富Pb相棒状组织。

内蒙古工业大学的杨森等人通过研究磁场对偏晶合金定向凝固组织的影响，得出横向均匀静态磁场，可以有效地抑制定向凝固过程熔体体中的对流；磁场的作用使偏晶系AI-6-5Bi合金维组织间距和纤堆直径减小，而且组织分布更加均匀。

2.3 偏晶合金的快速凝固及相分离研究西安理工大学的陈娓采用单辊实验技术研究了Ni—Pb和Cu—Pb偏晶合金的快速凝固及组织特征，通过金属熔体的热传导方程和Navier-Stokes方程相耦合，理论计算了液态合金的冷却速率，深入研究了急冷快速凝固条件下Ni．Pb和Cu．Pb 偏晶合金的组织演变规律，定量分析了快速凝固Cu—Pb合金的电阻率、抗拉强度和伸长率，探索了冷却速率和组织形态与合金性能的相关性。

表明了在快速凝固条件下，Ni-8％Pb亚偏晶合金的凝固组织由(Ni)枝晶和晶间(Pb)相组成。

当粒子直径较大时，晶体生长方向性很强，形成柱状晶组织；当粒子直径较小时，熔体形核率高，凝固组织以均匀细小的等轴晶为特征。

随着冷却速率的增大，晶体形态由粗大枝晶向细小等轴晶转变。

Ni-60％Pb过偏晶合金的液相分离在很大程度上受到抑制，组织细小、均匀，未产生宏观偏析。

随着冷却速率的增大，凝固组织显著细化。

Cu-Pb过偏晶合金在急冷快速凝固过程中，(Cu)相以枝晶方式在过冷熔体中快速生长，富Pb相或分布于(Cu)枝晶的晶界处或分布于枝晶的内部。

随着冷却速率的增大，液相分离被抑制，晶粒尺寸变小，富(Pb)相分布更趋均匀。

Cu—Pb偏晶合金中在偏晶温度以下存在温度区间较宽的液／固相共存区，对合金的相分离影响不显著。

在急冷快速凝固条件下，由于冷却速率大，凝固时间短，又受到辊面驱动的剪应力的强制作用，(Cu)枝晶的上浮运动受到抑制，组织的均匀性大幅度提高。

随着含Pb量的升高和冷却速率的增大，合金相固溶度扩展，凝固组织显著细化，晶界增多，对自由电子的散射作用增强，导致Cu．Pb过偏晶合金的电阻率显著增大。

另外，随着冷却速率的增大，晶粒细化，晶体缺陷数量增多，合金的抗拉强度增大，而伸长率减小。

沈阳理工大学的李海丽通过对Al —Pb偏晶合金开展了快速定向凝固实验，试样组织观察表明，在试样表面形成了一贫Pb层；建立了偏晶合金定向凝固过程中液一液相变的理论模型，模型中考虑了液滴的形核、扩散长大、液滴的空间迁移以及熔体的对流运动的影响。

根据实际凝固条件进行了相关模拟计算，结果表明在凝固界面前沿存在一过冷区，在过冷度的峰值点附近弥散相液滴形核；贫Pb层的形成是形成相与坩埚的润湿性、液滴的径向迁移和熔体的对流运动共同作用的结果。

2.4 定向凝固的研究偏晶合金的定向凝固原理见图2，图中S、L、T 、M、R和Ma分别表示固相、合金的熔点、固液界面的生长速度和Marangoni运动速度在凝固前沿有一层低于临界温度的液体层，在其中生核和晶核长大。

当试样以一恒定速度和温度梯度向上移动时，界面前沿的第二相粒子将最终被向上生长着的界面所吞没，而形成具有均匀弥散相分布的组织。

Dhindaw等在不同的凝固速度、不同的温度梯度和不同的重力水平下对Cu—Pb和Bi—Ga过偏晶合金进行了定向凝固试验。

在高凝固速度、高温度梯度和高重力水平下较高密度和较低热导性的相易形成纤维状组织，反之，则易得到滴弥散分布于a基体中的组织。

试验还发现在低重力水平下晶粒尺寸大于高重力水平下的晶粒尺寸，低重力水平下纤维间距大于高重力水平下的纤维间距。

对于Bi—Ga合金，在高的凝固速度下，重力似乎不影响组织，在低的凝固速度下，低重力水平似乎抑制了短纤维组织的形成，得到的是Ga粒子弥散分布于基体中的组织。

KamiaoC1o]对Al—In 合金进行的定向凝固表明：当温度梯度G(km )与生长速度R(ms )的比值大于某一值时，得到规则的纤维状组织或平行排列的粒状组织，纤维间距与生长速度R 有关系。

纤维组织的热稳定性依赖于纤维组织的直径和纤维组织的间距，随着生长速度的增大，λ减小，热稳定性降低。

DerbyCu研究了温度梯度和生长速度对不规则偏晶的影响。

试验是用Cu—Pb及伪二元的A1一In—Sn合金进行的，结果表明纤维间距与生长速度R及温度梯度G有关。

Rechard的试验表明Al-In、Cu—Pb、Cd—Ga等合金的凝固行为与液相不混溶区的高度有关发现第三组元改变了液相不混溶区的高度。