二元包晶合金定向凝固研究进展

第26卷　第2期Vol 126　No 12材　料　科　学　与　工　程　学　报Journal of Materials Science &Engineering 总第112期Ap r.2008文章编号:167322812(2008)022*******二元包晶合金定向凝固研究进展胡小武,李双明,刘　林,傅恒志(西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安　710072) 【摘　要】　针对二元包晶合金定向凝固,本文评述了其近年来的理论和实验研究进展,内容包括包晶合金的相选择、两相形核、带状组织以及耦合生长等方面。

讨论了定向凝固过程中相和微观组织选择机制,实验中所观察到的带状组织及其形成原因,以及由岛屿带状组织转变成初生相和包晶相的耦合生长组织。

【关键词】　二元包晶合金;定向凝固;相和微观组织选择;带状组织;耦合生长中图分类号:T G113.12 文献标识码:AR esearch Developments Of Directional Solidif icationFor Binary Peritectic AlloysHU Xiao 2wu ,L I Shu ang 2ming ,L IU Lin ,FU H eng 2zhi(State K ey Laboratory of Solidif ication Processing ,N orthw estern Polytechnical U niversity ,Xi ’an 710072,China)【Abstract 】　Based on the current studies mainly involved in the phase selection ,nucleation ,banded structure and coupled growth ,development of the researches on the theoretical and experimental results on directionally solidified binary peritectic alloys was reviewed in this paper.The formation mechanism of the phase and microstructure selection ,band structure and the transition f rom island banding to coupled growth in experiments was presented and discussed.【K ey w ords 】　binary peritectic alloys ;directional solidification ;phase and microstructure selection ;banded structure ;coupled growth收稿日期:2007203207;修订日期:2007205228基金项目:国家自然科学基金资助项目(50395100)作者简介:胡小武(1982-),男,博士研究生,E 2mail :huxiaowu0926@ 。

1　前　言包晶合金的定向凝固是目前凝固领域研究的热点之一,主要是因为一些非常重要的结构和功能材料都存在包晶反应,如高温Ti 2Al 合金,Ni 基高温合金,Ni 2Al 和Fe 2Ni 合金[126,10211]。

近几年对于某些铁磁材料、超导材料、形状记忆材料及耐高温材料等功能材料的研究和开发也涉及到了包晶反应,可见包晶型合金是一类非常常见的合金体系。

但至今包晶合金的凝固还没有形成较为完整的理论体系,也没有单相和共晶合金那样较为成熟的模型(如成分过冷判据、MS 界面稳定理论、J H 规则共晶分析模型等[7])。

近几十年关于二元包晶合金的定向凝固研究主要集中在Fe 2Ni 、Fe 2C 、Fe 2G e 、Pb 2Bi 、Sn 2Cd 、Ti 2Al 、Zn 2Cu 、Zn 2Ag 和Cu 2Sn 等[1,4,8210,14219]合金上。

在最近的包晶合金凝固研究领域中,一些学者采用相场法来模拟二元包晶合金的形核及生长过程。

如L.J.Tan 等[8]用相场法对Fe -0.3wt %C 包晶合金两相的生长进行了模拟,得到奥氏体包晶相在铁素体初生相的二次枝晶间形核并生长。

D.Phelan 等[9]用相场法对Fe 2C 合金的包晶转变进行了模拟,模拟结果表明L/γ界面生长速度和δ/γ界面生长速度两者之间的大小关系与冷却速度有着直接的关系。

H.Emmerich 和R.Siquieri [21]采用一新的相场法模型成功地研究了流动对包晶转变的影响以及包晶合金中异质形核动力机制。

目前关于二元包晶合金定向凝固的研究主要集中在三个方面:相和微观组织的选择;带状组织及其形成机制;耦合生长。

包晶合金的相选择和低速带状组织的研究能有效地促进人们对包晶凝固机理的理解,且在某些包晶体系中包晶相起着至关重要的作用,所以研究包晶合金相及微观组织的演化规律是十分必要的,包晶共生组织在一些结构材料和功能材料中有着比一般组织更优异的性能,所以包晶共生生长引起了人们更多的兴趣。

我们将从这三个方面综合评述二元包晶合金定向凝固的研究现状,并针对国内外包晶合金研究的不足提出其需要进一步研究的问题。

2　相和微观组织的选择二元包晶合金在定向生长中呈现出异彩纷呈的凝固组织,从平面带状及类树枝状到岛带状,再到耦合生长的胞枝状等[2,5,20],充分反映了二元包晶合金在定向凝固过程中组成相与显微组织之间竞争与选择的多样性。

为此,许多学者对包晶合金提出以成分和温度梯度与生长速度比值作为函数的相和显微组织选择图,其中比较典型的是Hunziker 等[22]提出的接近成分过冷极限的包晶合金相选择模型,该模型利用充分形核假设和成分过冷准则以及相稳定生长的最高界面温度判据,获得了Fe2Ni合金的相和组织选择图。

一般来说,凝固过程中的相选择和组织选择是一合金系相和组织的稳定性问题,涉及到相关相和组织的热力学和动力学因素,以及相与相之间的竞争。

如果要完全定量地对凝固过程中的相选择规律进行分析,需要处理大量的非线性耦合因素,从技术上来看,目前还具有相当大的难度。

在包晶凝固过程中,不同的相之间存在两种竞争方式,即形核竞争和生长竞争。

在定向凝固中,由于存在形核基底,通常两相的形核过冷度较小,因此最终的相组成主要取决于不同相之间的生长竞争。

T.Umeda等[36]利用单相界面响应函数和最高界面生长温度判据来确定包晶合金定向凝固过程中的稳定相和亚稳相的出现。

在此理论基础上,通过对Ti2Al包晶合金的定向凝固研究,得到了Ti-(44～50)at.%Al合金的相选择图[23]。

计算各单相的界面响应函数忽略了相与相之间的关系,这在实际凝固过程中是不合理的,但至今也没有建立起更为合理的模型。

Hunziker[22]等的模型的建立是假定初生相或包晶相在凝固界面前沿已存在稳定的溶质浓度梯度,即初始过渡区之后,相还没有进入稳态生长的近稳态情况,忽略了在初始过渡区内,凝固界面前沿的溶质浓度梯度随凝固距离变化的情况。

为此近来研究表明[24,25],从凝固开始到结束,相和显微组织的选择应该是连续变化的过程,初始过渡内发生的相或组织形态的转变对后续凝固有十分重要的影响。

所以,研究不同初始成分的合金在不同的生长条件下(G/ V)从初始到稳态的整个过渡区间相和显微组织的选择是必要的。

Hunziker[22]等的模型将包晶相形核后界面前沿液相溶质分布特性仍沿用与初生相生长界面前沿同样的处理是不合理的,忽略了相生长的历史相关性。

郭景杰等[25]以Ti2 Al合金为例研究从初始到稳态的整个过渡区间内的相和显微组织选择,分别考虑两相形核过冷度为0和2K时的情况。

另外Ti2Al实验结果表明,随着凝固距离的增大,由于凝固界面处溶质成分梯度的单调变化,单相α(或β)平界面生长区逐渐减小,相应地α(或β)胞晶或枝晶生长区域逐渐增大。

在初始过渡区开始阶段,存在较大的单一带状组织区,但随着凝固距离的增大,该区域逐渐减小并消失;相应地周期性带状组织区逐渐增大;混合带状组织生长区和两相耦合生长区则逐渐增大,直至接近稳态。

该实验同时验证了两相形核过冷度的存在对包晶合金的相和显微组织选择都影响较大,将减小形成带状组织的成分区间,相应增大两相协同生长区,形成带状组织所需的凝固距离增大。

单一带状组织区的出现则从无形核过冷度时的整个过包晶成分范围内变为部分过包晶及与其相邻的部分亚包晶成分范围。

从以上综述可得出二元包晶合金定向凝固过程中的相和组织的选择取决于凝固过程中的各种条件,如冷却速度,界面移动速度,温度梯度及合金原始成分等。

同时,两相的形核过冷度对其也有一定的影响。

3　带状组织及其形成机制在定向凝固过程中,某些二元包晶合金如Fe2Ni[5]、Sn2 Cd[13]、Pb2Bi[12]、Ti2Al[23]、Zn2Cu[27]等会出现带状组织。

这种带状组织垂直于晶体生长方向,由初生相和包晶相周期性交替生成,Boettinger首先利用成分过冷原理对这种带状组织做出定性解释。

Trivedi[29]在无对流只有液相扩散的条件下提出了二元包晶合金低速平界面定向凝固带状组织形成的模型,他在同时考虑了各相形核和生长的情况下,指明形成低速带状结构的驱动力主要是初生相生长过程中其界面前沿液相相对于次生相的成分过冷,并指出形成低速带状组织的成分应在亚包晶成分范围内。

对Sn2Cd[30]包晶合金进行定向凝固的实验结果很好地验证了该模型,在实验中为了抑制对流,取试样直径为0.6mm和0.4mm,实验中观察到的带状组织及成分范围和模型预测结果很好地吻合。

在充分形核假设和成分过冷准则以及相稳定生长的最高界面温度判据的基础上,李新中等[31]分析了初始过渡区内可能发生的第二相形核转变,确定了形成带状组织的成分条件。

同时考虑到相生长的历史相关性,将带状组织区分为周期性带状组织区和单一带状组织区。

周期性带状组织即为Trivedi[29,30]扩散模型分析得到的带状组织,单一带状组织按领先生长的相又分为两种:领先相为初生相时形成初生相+包晶相的单一带状组织;领先相为包晶相时形成包晶相+初生相+包晶相的单一带状组织,这种组织在许多低速定向凝固的二元包晶合金实验(如Pb2Bi[12]和Fe2 Ni[4,5,10,11,32,33])中已观察到,其结论更能对实验现象进行合理的解释。

按Trivedi的纯扩散模型,能得到带状组织的二元包晶合金的成分区间处于初生相和包晶相成分之间,而Hideyuki Yasuda和Kentaro Tokieda等对Sn2Cd、Pb2 Bi[13,12]二元包晶合金带状组织的研究工作表明:在包晶相成分与其平衡液相成分之间也能形成带状组织。