偏晶合金的研究现状和发展

偏晶合金的研究现状和发展

杨　森3　黄卫东　(西北工业大学凝固技术国家重点实验室　陕西西安710072)贾　均　(哈尔滨工业大学材料科学与工程系　黑龙江哈尔滨150001)

摘　要　综述了在微重力和地面条件下制取具有均匀弥散相结构的偏晶合金的研究结果,指出了偏晶合金研究存在的问题和今后的研究方向。

主题词　偏晶合金　微重力　弥散相

The Sta tus and D evelopm en t of M onotectic A lloy

Yang Sen　Huang W e idong　(N o rthw estern Po lytechn ical U n iversity　X iπan Shaanx i710072) J i a Jun　(H arb in In stitu te of T echono lgy　H arb in H eilongjinng150001)

Abstract　Som e experi m ental results of obtaining the dispersed phase structure in mono tectic alloys under m icrogravity and gravity envirom ent have been summ arized in th is paper.T he p roblem s needed so lving and the future directi on on mono tectic alloys have also been po inted out.

1　引　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Cu2Pb合金是很好的轴承材料, A l2Pb作耐磨材料,而Zn2B i合金是很好的电化学材料,B i2Ga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合金在工业上的应用。为了获得具有均匀弥散相结构的偏晶合金,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。

2　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冷却到偏晶反应温度以下时,就要发生L1→Α+L2的偏晶反应。反应结果是从L1中分离出固相Α及另一成分的液相L2。L2在Α相四周形成并包围Α相,但反应过程取决于L2与Α相的润湿程度及L1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,L2将在原有Α相晶体上继续沉积出Α相晶体,直到最后剩余的液体L2凝固成Α+Β共晶。如果Α与L2不润湿或L1与L2的密度差较大,就会发生分层现象。

3男　33岁　讲师　博士研究生

1999204205收到初稿　1999207220

收到修改稿

图1　典型偏晶合金相图

3　偏晶合金的研究现状

3.1　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[2]。在微重力条件下,使得熔体中因重力引起的对流以及熔体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(NA SA)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”宇宙飞船上进行了合金熔化、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间材料科学研究。主要运用飞机飞行、空间轨道器运行(空间站)、宇宙飞船、返回式卫星和航天飞机进行试验。F redrik sson等[3]对Zn2B i合金在微重力条件下进行了试验,发现对于偏晶点附近的合金(8%

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第24卷第2期2000年4月

机　械　工　程　材　料

M aterials　fo r　M echan ical　Engineering

V o l.24　N o.2

A p r.2000

B i)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Zn2 24%B i和38%B i的试验结果中发现了大块B i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。Po tard[4]对A l2In合金进行了多次试验,发现坩埚材料对最终的组织结构有影响。分别使用Si C和A l2O3坩埚,前者的In在材料表面富积,而后者的In在中心富积。W alter[5]的试验清楚地表明了M arangon i对流以及第二相体积分数对两相分离的影响。非均匀液体内的温度梯度将富In小液滴推到坩埚的热端,这是由于小液滴在冷却过程中产生的径向温度场中作M arangon i运动的结果。如果第二相>10Υ%,都可以观察到大尺寸的分离现象,低于这个值,则可能得到精细的弥散合金。

F ischm eister[6]用Zn2Pb合金研究了小液滴以O stw ald熟化方式生长的过程,并进行了理论计算。发现当粒子的尺寸较小时,理论与试验曲线符合得相当好。然而,还存在一些理论上不能解释的大尺寸液滴。他们指出,随着Pb小液滴体积分数的增加,试验结果与L S W理论的偏差量增大,而它与纯扩散O stw ald熟化的偏差,可能是冷却过程中液滴作M arangon i运动发生聚集所致。可见,微重力下虽然由重力引起的自然对流和Stokes流消除或减弱,但熔体表面张力的作用变得突出,仍存在由于表面张力梯度形成的M arangon i对流,包括熔体表面温度梯度差引起的M arangon i对流,以及粒子表面浓度差引起的M arangon i迁移。同时,表面润湿现象仍然存在,如果接触坩埚的液滴与坩埚表面润湿,液滴将向坩埚壁迁移并铺展,当这层液体脱落时将形成包围基体的大块粒子,因此,微重力只是制取弥散相结构的必要条件之一。

3.2　地面条件下的研究现状

由于空间微重力获取的困难、试验费用的昂贵以及试验结果的不理想,在进行空间研究的同时,在地面条件下也进行了大量的研究,以研究偏晶合金在凝固过程中形核、长大、第二相的尺寸分布特征。所用技术包括落塔、落管、正交电磁场、定向凝固等。

3.2.1　落管和落塔试验

在地面条件下,通过落管或落塔,利用自由落体形成的短时失重来模拟空间的微重力环境,研究偏晶合金的凝固行为。马歇尔飞行中心对B i250%Ga 进行了落塔试验,得到了一种细小富Ga粒子均匀弥散分布组织,而在通常凝固条件下却只能得到大块富Ga粒子的不均匀组织。赵九洲[7]借助50m高的落塔,得到了具有均匀弥散分布的Zn25%Pb和A l24%Pb合金,但落塔试样中的结晶Pb粒子尺寸要比正常凝固试样中小得多。

3.2.2　电磁场模拟微重力的研究

利用正交电磁场模拟空间的微重力状态是研究偏晶合金凝固行为的一种有效方法。偏晶合金由于自身的特点,在凝固过程中必然会发生重的一相下沉和轻者上浮的迁移现象。如果在熔体中通上正交电磁场,使液滴受到向上或向下的电磁力以平衡重力和浮力的作用,调节合适的电磁参数,可以使重力、浮力和电磁力的合力为零,从而可减轻比重偏析和分层现象。前苏联学者[8]的试验结果表明,对Zn2 Pb、Cu2Pb合金,当电磁参数选择合适时可以消除组元间的密度差,得到均匀的组织,但Pb在边缘的分布与中心的分布存在一些差别,分析认为这是电磁场分布不均匀的结果。当电磁场的作用使Pb的伪重度小于Cu或Zn的伪重度时,Pb相就可漂浮到试样顶部。Абрамов对Cu2Pb合金进行的类似试验表明,尽管调节电磁参数可以消除比重偏析,但组织中的Pb相分布并不均匀,存在水平轴向偏析。分析认为该轴向偏析是由电磁场造成的熔体迁移的结果。可见,电磁参数的选取对最后组织的影响很大。

3.2.3　定向凝固研究

偏晶合金的定向凝固原理见图2,图中S、L、T M、R和M a分别表示固相、合金的熔点、固液界面的生长速度和M arangon i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

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图2　定向凝固原理示意

D h indaw等[9]在不同的凝固速度、不同的温度

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