强磁场对Al-4.5%Cu合金枝晶生长行为影响的初步研究.pdf

!月强磁场对+T /$%0P.M 合金枝晶生长行为影响的初步研究"孙延辉!任忠鸣""!李!喜!王洪亮!王!俊!邓!康上海大学材料科学与工程学院!上海$##%#$!$##+’"$’"#收稿!$##&’#!’$>收修改稿!"国家自然科学基金"批准号#&#$!+#$#!&#$$&+",和&>*%"#$,$及上海市科委"批准号##+@K "+##$$资助项目!""通讯作者!-’./01#7.A ;3X !",!:=C .摘要!!以)1’+:&[(9合金为对象进行了稳恒强磁场对枝晶生长行为影响的初步研究!发现"#T 的强磁场明显影响了)1’+:&[(9枝晶定向生长组织:生长速度8在&!"#!$#".*?时!无磁场的条件下形成规则的树枝晶的组织!施加"#T 强磁场后!界面淬火枝晶组织变得不规则!在随后的凝固过程中树枝晶组织几乎消失!形成接近胞晶形态的组织:磁场强度达到+T 以上后!枝晶间距明显增加:施加强磁场后宏观组织细化!晶粒增多!形成定向凝固下的等轴晶组织的特殊现象:随着生长速度的增加!磁场的作用逐渐减弱:关键词!!强磁场!枝晶生长!定向凝固!铝铜合金!!在材料领域!稳恒强磁场作为一种无接触)定向的物理场!能够影响晶体的长大过程!约束晶体的排列方向!并且有效抑制导电流体中的热对流!改变材料凝固过程中的传热传质行为等:在金属材料制备过程中!定向凝固技术的逐渐成熟!为强磁场下的凝固理论的研究和发展提供了实验基础:据文献’"+!(报道!在定向凝固过程中施加磁场能显著的抑制熔体中的对流:M ;G ./33等’+(在水平定向凝固过程中施加竖直方向的磁场!研究了(9’)4和)1’(9两种合金体系:他们认为枝晶间的空隙太小!在磁感应强度较小"0"T $的情况下电磁制动所起到的作用很小!而在高温度梯度条件下由于枝晶上下端温差而引起D ;;X ;=E 效应则必须要考虑!施加静磁场后产生M C A ;327力!导致枝晶间对流加剧!引起径向偏析:L C ;22034;A ’&(和T ;6/A 0’,(分别对O X ’D 3合金进行了研究!前者在定向凝固过程中分别施加#:"T 的轴向和径向的磁场!发现磁场对组织形貌和宏观偏析并没有影响*后者在定向凝固的过程中施加#:+&T 的径向的磁场!发现胞晶列发生了严重扭曲!而对枝晶列没有影响:任忠鸣等’%!*(进行了强磁场下的共晶合金定向凝固研究!研究发现强磁场使R 3L 0共晶组织纤维尺寸变大!纤维间距变宽*O X ’D 3共晶合金两相组织的排列发生严重扭曲:以上结果表明!强磁场能够影响和控制凝固行为!进行强磁场下的凝固是非常有意义的:由于)1’+:&[(9在定向凝固的过程中具有典型单相合金定向凝固组织!枝晶发达!常作为枝晶生长研究的对象!所以本实验选取二元单相)1’+:&[(9合金进行了强磁场对单相合金定向凝固枝晶组织影响的初步研究:!!实验方法实验装置如图"所示!所用超导强磁体可以产生纵向静磁场!磁感应强度在#’"+T 连续可调!定向凝固装置为L A 0<4./3’D 2C =E X /A 4;A 炉!冷却介质为液态P /’S 3’D 3合金和循环水!拉速在#:&b "i "#+".,?间连续可调:试样采用>>:>>[的)1和>>:>>[的(9在感应炉中按比例熔制!实验时装在刚玉管中进行!实验温度为*&#c "固,液界面前沿温度梯度@h !%:*F ,=.$!保温"G!然后以不同的拉速进行定向凝固!并在单向凝固进行到稳定段时淬火:距凝固试*+""样下端*b"#=.处的稳定生长段截取金相试样!经研磨抛光腐蚀后观察稳恒凝固段的宏观和微观组织!并且截取固液界面处组织!观察界面的形态:图!!强磁场下定向凝固装置!!测量一次枝晶间距是在试样的横截面上进行的:考虑到施加强磁场后枝晶组织发生紊乱!难以逐个枝晶测量!故采用以下方法测量#用一条等长度的线段在横截面上与枝晶相交!测得与直线相交的枝晶数目为DA!通过下式来计算枝晶间距#2h B A,D A!其中B A为直线的长度!每一视野选不同的区域测"#次!然后求平均值得到一次枝晶间距: "!实验结果图$++别表示了生长速度8在&!"#!$#".,?下的无磁场和"#T强磁场下的微观组织:可以看到!磁场的施加大大改变了组织形态:无磁场的条件下形成整齐的枝晶定向组织!施加磁场后枝晶组织变得不规则:在图$";$所示的生长速度为&".,?的无磁场试样中为明显的枝晶形态!而有磁场试样则更接近胞晶形态"图$"H$$:但在凝固界面处!两者均为枝晶:这说明在两相区长大和随后固态扩散过程中!施加磁场加速了溶质均匀化!因而其枝晶形态不明显:在图!和图+中也表现出同样的趋势!即强磁场的施加促进了溶质均匀化!似乎也促进了枝晶的粗化:图"!+T/$%0.M定向凝固组织"@h!%:*F,=.!8h&".,?$"/$#T*"X$"#T!固液界面*"=$#T*"<$"#T!糊状区*";$#T*"H$"#T!全凝区*"4$#T*"G$"#T!横截面> + "" !!!图$"=$中组织表明!枝晶的粗化似乎通过相邻枝晶局部的融合进行!从而在晶粒内留有一些%点状&物!而施加强磁场后强化了这种融合过程!图$"<$:图$"X$中还可看出!施加磁场后!虽然界面附近的枝晶生长方向混乱!但下部枝晶的某些侧枝渐次出现竖直生长的趋势!最终组织仍为竖直方向排列!与无磁场的相近:这说明随着凝固进行竖直方向成为其优先生长方向:根据实测温度梯度!结合相图可知的两相区长度为":!$=.!图$"=$!"<$位于距固,液界面":"=.处!可知其仍处于两相区中:此时的枝晶处于粗化过程中!可以更清楚看到枝晶间的融合:比较有无磁场的枝晶融合状况!可以发现无磁场的相邻一次枝晶间多处发生融合!而有磁场的相邻枝晶间有的发生融合!有的则丝毫不发生:比较图$++可知!在强磁场下随生长速度增加!枝晶沿竖直方向生长的趋势增强!其规则性同时增强:这说明随生长速度的提高!强磁场扰动枝晶生长的影响相对降低:图#!定向凝固组织@h!%:*F,=.!8h"#".,?"/$#T*"X$"#T!固液界面*"=$#T*"<$"#T!全凝区观察固,液界面处!可发现强磁场对枝晶的尖端生长产生很大干扰!其一次主干有的已不明显!有的则主轴偏离热流方向:还可发现某些朝向液体一侧的枝晶臂发生分枝!呈现竖直向上生长的趋势!但不能充分发展!在强磁场的干扰下!很快终止向上生长: !!图&表示了有无磁场下的宏观组织!可见!其图$!定向凝固组织@h!%:*F,=.!8h$#".,?"/$#T*"X$"#T!固液界面*"=$#T*"<$"#T!全凝区图0!+T/$%0P.M定向凝固宏观组织"@h!%:*F,=.!8h&".,?$"/$#T*"X$"#T# &""!同样发生了很大变化:无磁场的条件下完全为粗大的柱状晶!甚至为单晶:而施加"#T 磁场后晶粒明显增多!基本为等轴晶!形成定向凝固下的等轴晶组织的特殊现象:结合图$"H $可知!互相不发生融合的枝晶!即成为各自独立的晶粒:图,所示为拉速8h $#".,?条件下磁感应强度对一次枝晶间距的影响!表明随着磁感应强度的增大一次枝晶间距增大!并且在"++T 范围内增加幅度较大!而后随着磁感应强度的增大一次枝晶间距变化不大:图%表示了有无磁场下拉速对枝晶间距的影响:可见施加"#T 稳恒磁场后!一次枝晶间距增大!并且随着拉速的增加两条曲线趋于接近!说明磁场对一次枝晶间距的影响随着拉速的增加在逐渐减小:图?!拉速对枝晶间距的影响#!分析与讨论已有研究表明强烈流动可扰乱枝晶的规则生长’>+""(!使用强电磁搅拌甚至可产生粒状晶’"$!"!(:本实验中施加的为强度达"#T 的静磁场!而静磁场抑制导电液体中的流动!所以应大大减少液体中的对流!因此可排除液体中的自然对流的作用!更何况实验中有可能存在对流的无磁场条件下生长的枝晶完好:这说明强磁场的其他效应发挥了作用:由于本实验中沿枝晶生长方向存在较大的温度梯度!并且枝晶固体与周围枝晶间液体的成分不同!因此形成热偶!产生D ;;X /=E 效应’"+(:D ;;’X /=E 效应的原理为!当两个热电势"+?!+1$不同的金属上下两端分别连接在一起!且两接点之间具有温度梯度.F !就会产生一个热电势.S h "+?++1$.F !如图*所示:由于铝铜合金的导电性能良好!所以在枝晶的上端和下部间就会产生热电环流W T -!如图>所示:这一电流虽然微弱!但与强磁场相互作用将产生较大的M C A ;327力G T h W T -i 1:在金属液中!由于M C A ;327力的存在!形成环绕枝晶的绕流!加强了枝晶间的流动:该流动有可能造成枝晶生长的不稳定!使得枝晶生长不规则!同时也强化了溶质传输!使得枝晶粗化*而在枝晶的内部!M C A ;327力产生扭矩和应力!有可能导致枝晶断裂!破坏枝晶体的生长!如图$"X $界面所示:而破碎的枝晶壁又成为等轴晶粒的异质核心!后经长大融合形成如图&所示的多晶组织:图@!’99X C F I 效应"&""!图A!枝晶间的热电磁流体现象!!强磁场对于晶体还具有取向的作用!使得晶体的某一方向指向磁场方向!当这一方向与晶体优先生长方向不同时!将导致晶体生长的紊乱!这也许是本实验中枝晶生长不规则的原因之一:如果强磁场影响了固液界面能!也将影响枝晶生长形态:这些有待进一步研究:随生长速度的提高!枝晶以热流方向为优先取向的生长能力增大!同时枝晶处于两相区的时间减少!强磁场作用的时间随之减少!因此强磁场的效应相对降低!所以枝晶生长趋于规则!并且对枝晶间距的影响减小:L C;22034;A’&(和T;6/A0’,(等先后进行了O X’D3合金低磁场下的定向凝固研究!发现#:"T竖直方向稳恒磁场!对组织形貌没有影响*#:+&T横向稳恒磁场使胞晶列发生扭曲!并在糊状区形成富锡区!而对枝晶的排列方式没有影响*M;G./33等’+(在水平定向(9’)4合金凝固过程中施加#:,T竖直方向的磁场!发现存在径向偏析*本实验研究发现"#T的强磁场对枝晶有很大影响!但似乎偏析较轻:这些说明磁场对枝晶生长影响的复杂性!值得深入研究:$!结论":以)1’+:&[(9合金的定向凝固为对象进行了强磁场对金属凝固行为影响的初步研究:发现"# T的强磁场明显影响了)1’+:&[(9枝晶组织*在生长速度8在&!"#!$#".,?时!无磁场的条件下形成规则的树枝晶的组织!施加"#T强磁场后!界面淬火枝晶组织变得不规则!在随后的凝固过程中形成接近胞晶形态的组织:$:施加+T以上磁场的枝晶间距明显增加:!:施加强磁场显著影响宏观组织!晶粒数量增加!形成定向凝固下的等轴晶组织的特殊现象:参!考!文!献"!(/A A92G;A]Q:O A;W/A/20C3/3<O A C W;A20;?C HD C10<D2/2;R/2;A0’/1?:I;6a C A E#R/A=;1@;E E;A">>%!"+!&$!R/22G0;?;3@‘!B/A4C R]!R C2/E;HD!;2/1:@C W/32D;4A;’4/20C3<9A034Z;A20=/1L A0<4;./3’D2C=E X/A4;A4A C62G602G.;12 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