定向凝固包晶合金相和微观组织选择研究进展

2008年9月 陕西理工学院学报(自然科学版)Sep t .2008第24卷第3期 Journal of Shaanxi University of Technol ogy (Natural Science Editi on )Vol .24　No .3[文章编号]1673-2944(2008)03-0015-05定向凝固包晶合金相和微观组织选择研究进展李庆林1,　沈　军2,　兰晔峰1,　罗文忠2,　满伟伟2,　唐　玲3(1.兰州理工大学材料科学与工程学院,甘肃兰州730050;2.西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安710072;3.陕西理工学院材料科学与工程学院,陕西汉中723003)[摘　要]　综述了定向凝固包晶合金相和微观组织选择的理论模型和实验研究进展,分析相和微观组织的选择规律,同时讨论了对流对凝固微观组织的影响。

依据国内外对包晶合金凝固的研究现状,提出进一步研究的方向。

[关　键　词]　包晶合金;　定向凝固;　相选择;　微观组织[中图分类号]　TG14 [文献标识码]　A收稿日期:2008203205 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50474054)。

作者简介:李庆林(1978—),男,甘肃省临洮县人,兰州理工大学讲师,主要研究方向为Ti 2A l 包晶合金的定向凝固。

0　前　言随着材料科学的发展,包晶合金因其特殊的性能成为研究的热点。

许多重要的工程材料都存在包晶反应,如Fe 2C 和Fe 2Cr 2N i 合金,高温Ti 2A l 和N i 2A l 合金,Nd 2Fe 2B 和Co 2S m 2Cu 稀土永磁材料以及Y 2Ba 2Cu 2O 高温超导材料等[1,2]。

包晶合金凝固过程中相和微观组织对材料的性能起决定性作用,因此,研究定向凝固包晶合金相和微观组织的选择引起国内外学者的极大兴趣,通过模拟计算获得合金的相和微观组织选择图,并运用实验结果进行验证。

随着对包金合金定向凝固研究的不断深入,发现包晶合金凝固中相和微观组织随温度梯度,生长速度以及对流影响而呈现复杂的多样性[3,4],但迄今为止,包晶合金的研究还没有形成较为完整的理论体系。

目前,包晶合金的研究主要集中在定向凝固中包晶相的生长机理以及相和微观组织的选择规律。

本文将从这两方面综述包晶合金定向凝固的研究现状,提出存在的不足之处和进一步的研究方向。

图1　包晶合金凝固组织的 生长机制示意图1　定向凝固中包晶相的生长机理包晶反应是初生相和液相反应生成新的包晶相的过程。

包晶凝固过程中不仅存在初生相的生长,同时存在包晶相的生长。

为了更好地认识包晶相的生长机理,研究者将这个过程分为包晶反应、包晶转变和直接凝固3个阶段[2,5](图1)。

包晶反应是初生相与液相在包晶温度直接发生反应生成包晶相的过程,即α+L→β;包晶转变是通过固相原子的扩散,使初生相逐渐溶解而生长为包晶相的过程,即α→β;直接凝固是液相直接在已有的包晶相上生长的过程,即L →β。

然而,依据包晶反应的生长机制,它要求初生相和液相能够完全接触,一旦初生相被包晶相包裹,则包晶反应就不能继续进行。

在定向凝固中能维持初生相、液相和包晶相接触的地方在包晶凝固的固液界面处[5],当包晶反应由于初生相不能跟液相直接接触而无法进行时,包晶相的生长就只能靠初生相的固相扩散转变和液相的直接凝固两种机制来实现,即一组元自β与液相界面向α与β界面扩散,导致α与β界面向α一侧扩展,而另一组元自α与β界面向β与液相界面扩散并导致该界面向液相扩展来实现包晶转变[6]。

但是,Mueller [7]等在采用液滴法研究A l 2Mn 包晶合金的凝固过程中,发现包晶相只是局部包裹初生相,这就表明包晶相有可能从液相中直接形核,这样使得包晶合金在凝固过程中既有初生相从液相析出,也存在包晶相不通过包晶反应而直接从液相析出。

最近,人们发现快速凝固或深过冷条件下包晶相无需通过包晶反应,而是直接从液相中形核生长[5,8—10],这种相的选择是初生相和包晶相形核竞争的过程,使得包晶凝固的组织出现了复杂的多样性,而不是完全平衡凝固条件的最终的包晶相组织,微观组织的形成将在后面讨论。

2　定向凝固包晶合金的界面形态和相选择定向凝固包晶合金的界面形态决定了微观组织的演化和相的选择规律。

在凝固过程中,不同的凝固参数(温度梯度G L ,生长速度V,成分C 0以及液态金属的流动)决定了不同的界面形态。

为了分析包晶合金在定向凝固过程中相的选择,利用单相合金的界面响应函数,借助最高界面温度生长判据和成分过冷理论进行分析。

2.1　单相合金的界面响应函数虽然单相合金不存在相的选择现象,但是对成分一定的合金,在给定的温度梯度下,随生长速度的增加,界面形态将发生一系列的变化[4]:平面晶→胞状晶→胞状枝晶→树枝晶→细化胞状晶→带状→平面状,这一界面形态的演化规律是,界面形态由低速下的平界面生长向高速生长的绝对稳定状态的转变。

在定向凝固条件下,界面形态的选择遵从的是具有较高生长温度的界面形态在具备正向温度梯度的熔体中占据较为靠前的位置,因而主导整个生长过程,成为具备动力学优势的生长形态[11]。

因此,界面形态的这一演化过程可用界面响应函数I R F (V )[12,13]来描述,IR F (V )=m ax (T P (V ),T c/d (V )),它是生长速度V,温度梯度G L 和成分C 0关于界面温度T P 的函数。

2.2　单相平界面生长时的界面生长温度单相合金以平界面生长时对应的界面温度为T P ,即T P (V )=T m +C 3l m v -(R g T m /△S f )V /V 0,(1)　其中,T m 是该相的熔点温度,C 3l 是界面处液相的成分,m v 是生长速度对应的液相线斜率,R g 是气体常数,△S f 是摩尔熔化熵,V 是生长速度,V 0是结晶速度,在稳定状态下,C 3l =C 0/k v ,k v 是与速度对应的非平衡的溶质分配系数。

2.3　单相胞/枝晶生长时的界面生长温度根据KGT 模型[13],当G =0时,枝晶生长的界面温度为T 0d =T m 2ΓK +C 3l m v -(R g T m /△S f )V /V 0,(2)　图2　在正的温度梯度下单相生 长的界面响应函数示意图其中Γ是Gibbs 2Thom s on 系数,K 是枝晶尖端的曲率(K =R /2,R 是枝晶尖端的半径)。

当G ≠0时,胞/枝晶生长的界面温度为T c/d =T 0d -△T C ,(3)　△T C =GD L /V(4)　其中△T C 是低速生长条件下胞状的尖端过冷度。

界面响应函数反映的是一定温度梯度下,生长速度的变化引起界面温度的变化,从而导致凝固过程中出现了不同的界面形态。

图2是通过界面响应函数分析单相合金凝固的示意图[12],表明随生长速度的增加,界面形态的演化过程。

从图中可以看到,在低速・61・ 陕西理工学院学报(自然科学版) 第24卷下,即V <V C =G D /△T 0,无成分过冷,故平界面生长是稳定的,且T P =T S 是一恒定的常数;但随生长速度的增加,当生长速度V C <V <V a =△T 0(V )D /kΓ时,由于界面处溶质浓度的变化,导致过冷度的增加,使界面温度出现了非线性的增大,满足胞/枝晶生长界面温度的关系式,则胞/枝晶生长是稳定的。

但是,当V a <V <V T max 时(V T max 为平界面生长最高温度对应的速度),出现了带状生长区,形成带状组织的成分范围和影响因素仍然存在争议,因此,带状组织的形成将在微观组织的形成机理中进行讨论。

根据界面响应函数可以计算并绘制包晶合金在不同的生长速度、温度梯度和成分下两相所对应的界面温度,然后结合稳定生长的最高界面温度判据和充分形核假设,分析相选择和组织演化,例如Fe 2N i [14],Ti 2A l [4,13,15],Zn 2Cu [11]等包晶合金的相选择图。

3　定向凝固包晶合金的微观组织及形成机理3.1　完全带状组织许多包晶合金的定向凝固研究已经报道了低速下的带状组织。

Boettinger [16]首先报道了Sn 2Cd 合金在低速下带状组织的形成,并且应用成分过冷理论对包晶合金在凝固过程中带状组织的形成加以解释。

随后,在Sn 2Cd [17,18],Zn 2Cu [19],Ag 2Zn [2]和Pb 2B i [20]包晶合金的凝固中得到了低速生长条件下的带状组织,以后在Ti 2A l [3,21]和Fe 2N i [22]包晶合金的定向凝固中得到了类似低速的带状组织。

图3　典型的包晶合金相图及Trivedi 模型 的带状组织形成示意图虽然早期对包晶合金的研究已经发现了带状组织,但是一直没有合理的理论模型进行解释。

最近,Trivedi [23]提出了一个液相纯扩散条件下的带状组织形成的理论模型,如图3所示[23]。

在定向凝固过程中,,不断地排出溶质,形成溶质边界层,随凝固的继续进行,界面处液相中的溶质浓度逐渐增加,导致界面温度的降低。

当系统温度达到包晶温度Tp 时,初生相还未达到稳态,随温度的继续降低,初生相继续凝固并向稳态发展,从而使液相浓度不断地富集,当界面前沿液相成分达到C l M ,在界面处的成分过冷满足包晶相的形核需求(△T N β),则包晶相在初生相的界面前沿形核生长;随包晶相的生长,排出的溶质浓度降低,并且使界面温度升高,倾向于达到高于Tp 的稳定界面温度,当界面处浓度为C l m 时,满足了初生相的形核过冷度(△T N α),使它再次形核生长,这样周而复始,就形成了平界面生长的交替带状组织,并把带状组织的形成区间定义在亚包晶成分范围内。

傅恒志等[3]对包晶合金低速带状组织的形成研究中,给出了初生相和包晶相能够在对方前沿以平界面形核和生长时对应的界面液固相的成分方程,以及C l M 和C l m 对应的合金成分。

3.2　岛屿带状组织在包晶合金的实验研究过程中,不仅发现了低速生长的完全带状组织,并利用Trivedi [23]模型进行了理论分析,而且在Sn 2Cd [24]和Fe 2N i [25]合金的凝固中发现了岛屿带状组织。

岛屿带状组织是初生相部分包裹包晶相,两相出现了竞相生长。

在凝固过程中初生相首先形核生长,如果排出的溶质在界面前沿的富集达到包晶相形核所需要的过冷度,则包晶相在侧壁、液相和初生相三相交界处形核,其生长方向垂直于初生相的生长方向,而此时的初生相与定向凝固方向一致。

两相在生长过程中同时排出溶质,它们的相对生长速率由两相界面前沿排出的溶质浓度决定。

Trivedi [24]对岛屿带状组织的形成进行分析,认为包晶相在界面处吸收初生相排出的溶质而使它的生长速度减慢,从而使得包晶相的生长受到抑制,产生岛屿带状组织。