（材料加工工程专业论文）ti45al包晶合金定向凝固过程中流动对组织的影响.pdf

摘要 摘要 许多重要的结构材料和功能材料在凝固过程中都存在包晶反应，因此，研究 定向凝固中的包晶反应过程是非常重要的。但是，研究流动对定向凝固组织的影响 作用还不深入，本文以t i - 4 5 a 1 亚包晶合金为研究对象，采用电磁感应加热和液态 金属冷却技术制备定向凝固试样，通过光学金相和扫描电子显微镜对不同抽拉速 度和不同流动条件下的包晶组织进行初步的研究，分析流动对凝固组织的影响。 首先，根据流动的液态金属在稳恒磁场中产生一个与运动方向相反的洛仑兹 力，设计一套抑流装置。运用a 1 c u 合金进行实验验证，发现在定向凝固过程中， 外加稳恒磁场使固液界面处的温度保持恒定，不随时间的推移而波动，说明在稳 恒磁场的作用下，固液界面处的流动被抑制。 其次，以速度为5 “m s ，1 0 1 x m s 和5 0 p a n s 进行抽拉，生长一定的长度后进行 淬火，获得的界面形态分别是平界面，胞状界面和树枝晶界面；以速度为5 1 a n s 和1 0 r t m s 抽拉时，发生共析转变的最终片层组织( a 2 t i 3 a i 竹t i a i ) 既存在与生 长方向垂直的，也存在和生长方向平行或成4 5 0 夹角的，说明先析出的晶体既有稳 定相1 3 ，也有亚稳相a ，并随生长速度的增大，垂直于生长方向的片层组织的体积 分数增加，说明在低速生长条件下，随生长速度的增大，有利于亚稳a 相作为初生 相析出；当抽拉速度为5 0 r t m s 时，初生相全部为稳定b 相。 最后，通过不同厚度的石墨套屏蔽磁场和外加稳恒磁场来抑制液态金属的流 动，以5 0 r t m s 的速度进行抽拉，研究不同流速下的宏观定向效果和微观组织演化。 实验发现，随石墨套厚度的增加和试样直径的减小，宏观组织发生了从枝晶的侧 向生长向平行生长方向的柱状晶转变。在直接感应加热的条件下，宏观枝晶从两 侧向中心汇集生长，且晶粒短小，而当石墨套厚度增加到5 m m ，试样直径由原来 的7 m m 减小到4 m m 时，宏观的柱状枝晶和生长方向平行，且连续生长。通过观 察微观组织，进入稳态后，稳定的b 相为初生相以枝晶生长，且片层间距随流动鲋 增强而减小；外加稳恒磁场后，流动被抑制，从淬火界面可以发现枝晶生长平齐， 生长速度保持一致，凝固的微观组织为两相交替生长的不规则带状组织。 关键词：t i 4 5 a 1 包晶合金，包晶反应，定向凝固，抽拉速度，稳恒磁场，流动， 微观组织 a b s t r a c t a b s t r a c t i t i sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h ep r o c e s so fp e r i t e c t i cr e a c t i o ni nt h ed i r e c t i o n a l s o l i d i f i c a t i o ns i n c ei tw a si n v o l v e di ns o l i d i f i c a t i o no fm a n ys t r u c t u r a lm a t e r i a l sa n d f u n c t i o n a lm a t e r i a l s i nt h i s p a p e r , t h ed i r e c t i o n a l s o l i d i f i e d s a m p l e so ft i - 4 5 a 1 h y p o p e r i t e c t i cw e r ep r e p a r e du s i n ge l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o nh e a t i n ga n dl i q u i dm e t a l c o o l i n gt e c h n i q u e t h es t r u c t u r e so b t a i n e da td i f f e r e n tw i t h d r a w i n gv e l o c i t i e sa n d d i f f e r e n tc o n v e c t i o nw e r eo b s e r v e da n da n a l y z e db yo p t i c a lm i c r o s c o p ya n ds e m t h e i n f l u e n c eo f c o n v e c t i o no nt h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e sw a sa l s oa n a l y s e d f i r s t l y , as e to fs y s t e mw h i c hc a ns u p r e s sf l u i df l o ww a sd e s i g n e da n dm a c h i n e d a c c o r d i n gt or u n n i n gl i q u i dm e t a lc a nf o r ma no p p s i t ed i r e c t i o n a la p p l i e df o r c ei ns t e a d y m a g n e t i cf i e l d e x p e r i m e n to ni m p o s i t i o ns t a t i cm a g n e t i cf i e l dw a gp e r f o r m e db ya i c u a l l o y a n df o t m dt h a tt e m p e r a t u r ei si n v a r i a b l e ，w h i c hi n d i c a t e dt h es t e a d ym a g n e t i cf i e l d c a ns u p r e s sc o n v e c t i o no f l i q u i dm e t a la ts o l i d l i q u i di n t e r f a c e ， s e c o n d l y q u e n c h e di n t e r f a c em o r p h o l o g i e sa 肥p l a n a ri n t e r f a c e c e l l u l a ri n t e r f a c e a n dd e n d r i t ei n t e r f a c er e p e c t i v e l y , w h e nd r a w i n gv e l o c i t yi s5 r t m s ，1 0 “m sa n d 5 0 “m s t h ea n g e lb e t w e e nt h el a m e l l a rb o u n d a r i e s ( a 2 - t i 3 a l 1 , 一t i a l ) a n dg r o w t h d i r e c t i o ni s9 0 0 ，4 5 0o r0 0 ，w h i c hi n d i c a t et h ep r i m a r yp h a s ec a nb es t a b l ep h a s ebo r m e t a s t a b l ep h a s ea a n dw i t ht h ei n c r e a s eo fd r a w i n gr a t e s v o l u m ef r a c t i o no f p e r p e n d i c u l a rl a m e l l a rw i t ht h eg r o w t hd i r e c t i o ni n c r e a s e h o w e v e r ，w h e nd r a w i n gr a t e i s5 0 w n s ，t h ea n g e lt h el a m e l l a rb o u n d a r i e sa n dg r o w t hd i r e c t i o ni s4 5 0o r0 0 ，i ts h o w s t h a tt h ep r i m a r yp h a s ei ss t a b l ep h a s e1 3 f i n a l l y ，m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o na n dp h a s es e l e c t i o nw e r es t u d i e da td i f f e r e n t c o n v e c t i o nb yu s i n gi m p o s i t i o ns t e a d ym a g n e t i cf i e l da n da l t e r i n gt h i c k n e s so fg r a p h i t e s h e l lt od e c r e a s em a g n e t i cf l u xd e n s i t yi nt h ei n d u c t i o nc o i l t h ee x p e r i m e n tc a n a c h i e v ep a r a l l e lc o l u m n a rc r y s t a l sw i t l lg r o w t hd i r e c t i o nb yd e c r e a s i n ge l e c t r o m a g n e t i c s t i rf o r e 君a n ds u p r e s s i n gc o n v e c t i o n t h es t a b l ep h a s epi sp r i m a r yp h a s ea n dl a m e l l a r b o u n d a r i e s ( a j t ) i sp a r a l l e lo r4 5 0w i t hg r o w t hd i r e c t i o n l a m e l l a rs p a c ei n c r e a s ew i t h c o n v e c t i o nd e c r e a s e a f t e rt h ei m p o s i t i o no ft h es t e a d ym a g n e t i cf i e l d ，c o n v e c t i o nw a s s u p r e s s e dd u r i n gt h ed i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o n q u e n c h e di n t e r f a c em o r p h o l o g ys h o w e d d e n d r i t i cc r y s t a l sg r o wa tt h es a m es p e e d t h ei r r e g u l a rb a n d e ds t r u c t u r ew a so b s e r v e d u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h ei m p o s i t i o no ft h es t a t i cm a g n e t i cf i e l d ，w h i c hi n d i c a t et i l a t 两北t 业大学t 学硕i + 学位论文 c o n v e c t i o np l a y sai m p o r t a n tr o l ei nd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o nm i c r o s t m c t u r a lf o r m a t i o n o ft i 一4 5 4 1 p e r i t e c f i ea l l o y c o n s e q u e n t l y , f l u i df l o w i sv e r y i m p o r t a n t f a c t o rt o s o l i d i f i e ds t r u c t u r eo f p e r i t e c t i ca l l o y s k e yw o r d s ：t i - 4 5 a ip e r i t e c t i ca l l o y ，p e r i t e c t i cr e a c t i o n ，d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o n ， s t e a d ym a g n e t i cf i e l d ，d r a w i n gr a t e c o n v e c t i o n ，m i c r o s t r u c t u r e 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留有向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影e | j 、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 力0 7 年寻月弓。同 指导教师签名： 神年 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文， 是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明 引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或 撰写过的研究成果，不包含本人或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名： 2 6 0 7 年寻月亏d 日 绪论 绪论 金属凝固是液态金属通过冷却而成为固态的过程。在凝固过程中，不同的凝固 技术和凝固工艺参数将形成不同的凝固组织，这将会使同样成分的合金具有不同 的使用性能。定向凝固作为一种成熟的凝固技术已被广泛应用到材料组织和性能 的研究之中，这是因为定向凝固可以减少偏析、疏松等缺陷，而且形成了取向平 行于主应力轴的柱状晶，消除了垂直于应力轴的横向晶界，大大提高了材料的纵 向力学性能。因此，定向凝固技术在工业生产中得到了广泛应用。随着合金凝固 理论研究的不断深入，对单相合金和共晶合金的凝固行为，已经进行了深入的理 论分析，并建立了相当精确的定量数学模型。由于大量实验证据和完备理论的存 在，人们已经可以对单相和共晶凝固现象作出明确解释，在这些认识的基础上， 实现对凝固过程及最终组织的精确控制。但是，与此形成对比的是，在包晶凝固 领域的研究却很不成熟，远不如对单相及共晶凝固的理解那样透彻，对包晶凝固 微观组织长期以来仅限于依据平衡相图的定性描述，认为包晶相依附于初生相形 核并通过固相扩散延续生长，直至包晶反应完成，形成包晶相包覆初生相的结构。 近年来，f c c r - n i 高温合金，啊舢轻质合金，c o s m c u 和n d f e b 稀土永 磁材料以及高温超导材料y - b a - c u - o 在内的一系列包晶合金因其特殊的机械性能 和功能特性为人们所关注。在对包晶合金进行研究的过程中，人们发现通过包晶 凝固形成的微观组织结构并非如以往描述的那样单一，而是丰富多彩，由于流动 引起初生相被包晶相包围形成类似于树枝晶的振荡组织、垂直于生长方向而形成 初生相和包晶相交替生长的带状结构、类似共晶组织的共生层片组织。 包晶合金凝固形成的组织如此复杂，因此，深入研究包晶凝固机理，准确解 释包晶凝固微观组织形成机理和结构特征，将有利于凝固理论的完善和发展，有 助于包晶凝固过程的有效控制，能够为具有包晶反应的材料获得所需组织和性能 提供理论指导，对整个材料产业的发展起到极为重要的意义。 包晶凝固微观组织取决于包晶反应两相之日j 的形核竞争与生长竞争，因而理 解包晶凝固微观组织的基础是对两相凝固过程及其相互关系的认识。单相凝固理 论的完善及其在共晶凝固研究中的成功应用，为包晶凝固的研究打下了一定的理 论基础，使得以单相凝固理论为基础建立定量的包晶凝固理论成为了可能。 然而，以前的研究者们为了避免流动对包晶合金定向凝固组织和相选择的影 响，通过减小试样的直径，使得凝固过程中的流动为最小甚至可以忽略，从而避 免了研究过程中的流动影响，他们仅仅考虑合金成分、温度梯度和凝固速度对微 两北t 业人学t 学帧f 学位论文 观组织以及相选择的影响。但是，在实际的定向凝固过程中，由于重力及熔体中 的温度差别等引起的自然对流是不可避免的；同时，近年的研究工作表明，流动 在一定条件下对获得更高性能的凝固组织是有利的，如强制对流可以均匀液相中 的溶质，减小成分偏析，流动可以细化凝固组织等。包晶合金在工业领域中越来 越展现出令人瞩目的应用前景，尤其是t i a l 合金，它作为一种新型的高温轻质结 构材料，在航空航天领域的高温用材中得到广泛的使用。但是，对于t i a i 合金定 向凝固在不同流动强度下相选择规律和组织演化还没有相应的报道，同时，t i a l 合会的使用性能与凝固过程中相的析出顺序有着直接的关系。因此，为了获得综 合性能优良的凝固组织，迸一步提高n a l 合金的使用潜力，研究不同流动条件下 包晶合金的凝固过程是非常有意义的。定向凝固中由于正的温度梯度引起的自然 对流是不可避免的，同时对m 舢合会采用了电磁感应加热，这样必然会对液态会 属产生电磁搅拌力，从而液态金属在定向凝固过程中存在强制对流，所以研究流 动对包晶合金凝固组织的影响是非常重要的。 本文采用了两种加热方式，即电磁感应的直接加热和石墨套的辐射加热，对 不同直径的试样进行加热熔化。由于电磁场产生的电磁力对熔体产生强制对流， 为了研究不同的流速对凝固组织的作用机制，采用不同厚度的高纯石墨套屏蔽磁 场，产生不同强度的电磁力；并利用外加的横向磁场抑制液态会属流动，以此研 究不同流动强度下，包晶合金定向凝固组织的演变规律，对包晶合金的凝固机制 以及相选择和微观组织的影响因素更全面的认识。 第1 章文献综述 第1 章文献综述 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f e c 和f e c r - n i 工具钢合金，高温n a l 和n i a l 合会，n d f e b 和c o s m c u 的稀土永磁材料以及y - b a - c u - o 高温超导材料等【1 2 1 。 包晶合会凝固过程中相和微观组织对材料性能起到决定性的作用，一般包晶凝固 中两相之间具有良好的晶格匹配性，包晶相容易依附于初生相形核。因此，一旦 控制了初生相的形核，就可以有效控制凝固组织中的晶粒尺度，例如在a 1 n 合金 系的凝固中，人们通过生成大量a 1 3 t i 初生相的方式来细化凝固组织1 3 , 4 1 。但是，随 着包晶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【5 t 6 】，以前对包晶合金的研究忽 略了流动的作用机制，但是，在电磁感应加热的定向凝固中，由于存在旋度不为 零的电磁力，从而液态金属的流动是不可避免的，它的出现必然会影响到定向凝 固的微观组织，所以研究流动对包晶合金在定向凝固过程中的作用机制是非常重 要的。 1 1 液态金属在凝固中的流动 1 1 1 液态金属的流动方式 液态金属的流动对金属材料的凝固过程有重要的影响，现有的资料报道液态金 属的流动主要为阴：自然对流和强制流动。在凝固过程中，不同形式的外力能驱使 液态金属的流动，影响凝固组织的形态、传热和传质过程。 1 1 1 1 自然对流 自然对流是由于熔体发生局部的物理性质改变而引起的流动。在凝固过程中 自然对流的形成机制分为两种：一是由于重力作用下形成的自然对流，如温度梯 度引起的密度差异；浓度梯度引起的浓度差异；液固两相的浮沉效应；另外一种 是和重力无关的形成机制，即温度梯度引起的表面张力差异；浓度梯度引起的表 面张力差异；相变引起的密度变化。 1 1 1 2 强迫流动 强迫流动是依靠外力( e g g 搅拌和机械搅拌1 作用形成的流动。引起强迫对流的 方式主要有机械搅拌、电磁搅拌、超声波振动、凝固过程中的固相转动、旋转铸 模、外加电场引起溶质的电传输、液相中气体上浮，合金浇注过程中由液流的冲 3 西北t 业人学t 学硕l 学位论文 击引起的液相流动等，不同的外力强度以及不同的外力方式将会产生不同的流动 效果和流动模式。 1 1 2 流动对金属凝固组织的影响 如果液态会属在凝固过程中，由于存在自然对流或外力作用下产生强制流动， 就必然影响凝固界面前沿的温度场和溶质场，从而影响金属凝固的宏观组织和微 观组织，这种凝固组织的改变会使材料的性能受到影响。 1 1 2 1 宏观组织的影响 在2 0 世纪5 0 年代，f l e m i n g 等人和r o t h 等人1 7 1 发现，凝固过程中熔体的流动 会使柱状晶的生长方向发生变化，向迎流一侧倾斜，同时研究者们 s , g l 发现液态金 属的流动会促使凝固过程中柱状晶向等轴晶转变( c e t ) ，根据这一细化机理，通过 增强液态金属的流动来获得细小的等轴晶组织，达到细化晶粒的效果。 1 1 2 2 微观组织的影响 胡汉起【l0 】提出，当枝晶在静态熔体中生长时，二次枝晶臂一般以一次枝晶轴为 对称轴成对称生长，如果在凝固过程中，液相中存在流动，则迎流一侧的枝晶生 长较快而变得较为发达，而背流一侧的生长受到抑制：并且提出强制对流可以显 著的减小枝晶间距，这是因为流动造成固液界面的温度扰动，使得枝晶尖端参差 不齐，深入到液体深处的枝晶，周围液体中富集的溶质被流动的液体带走，存在 较为强烈的热量传输，从而使生长速度更快。 1 1 2 3 成分偏析的影响 流动会使界面前沿的温度产生波动，这样就会使界面向| ； 推进的速度发生紊 乱，当界面温度升高，界面推进速度减小，固相溶质浓度降低；反之，界面温度 降低，界面的推进速度增大，固相中的溶质浓度升高，从而在固相中形成带状偏 析。 1 1 3 电磁场对液态金属的作用 1 1 3 1 电磁场对液态金属的搅拌 在采用线圈的感应加热中，通入感应器的交变电流产生交变磁场，因此熔化 后的液态合金处在交变的电磁场中，磁场中任一点处磁感应强度随时日j 作周期变 化。在任一时刻某点处取一微元体，并设该点处磁感应强度矢量为西，可将否分 解为径向分量和切向分量，如图1 1 所示【l l l 。 设该微元体矢径为r ，与水平轴夹角为0 ，在任一时刻，该单元体所在位置 4 处磁感应强度五的方向及大小如图所示，其径向和切向速度分别为巧和巧，磁感 应强度的径向分量和切向分量分别用b ，b e 表示。 虿=件。s口(1-1) 瓦=卧in口(1-2) 单元体在研和岛的作用下分别受到切向力和径向力的作用，由于感应电流方向为 z 向，设为五，则有 f = j ：b ( 1 - 3 ) 对流体而言，o h m 定律取下列形式： 了= c 。 一e + 一i z x b ( 1 - 4 ) 设f 的切向分量和径向分量分别为c 和局，可知乃f - h b ，产生，驱使熔体围绕o 点作旋转运动，f 由岛产生，驱使熔体围绕0 点作径向运动。 f = 。一；融2 胁( 缈一孚) 2 m s ， 巧= 融鳓( 缈一钞 m s ， 式中b o 为熔体边界处磁感应强度。只为 表面压力，易为驱使熔体围绕0 点作旋 转运动的搅拌力，即洛仑兹力，由式( 1 6 ) 可知巧与b 0 2 成正比关系，由于真空磁导 率风、液体的电导率吒为常量，矢量半径 ；、( m 一孚) 仅与单元体所处的位置有关， 所以随着磁场强度的增加，洛仑兹力增加， 伊贰 起 ll 劲 图i - 1 交变磁场内b 矢_ 量分解f 1 1 i f i g1 - is c h e m eo f v e c t o rbd e c o m p o s i t i o n i na l t e r n a t i n gm a g n e t i cf i e l d “j 磁场中的搅拌作用增强，这必然使得液态金属的流动增强。 1 1 3 2 横向磁场对流动金属的抑制作用 s e r i e s 指出，在横向磁场的作用下，轴向和水平的流动被抑制 1 2 l ；t i l l e r 也提 出，在足够强的磁场中结晶凝固能够消除流动对凝固界面处溶质分离的干扰，获 得成分均匀的材料【玎】，这是因为熔体的流动与体系传热、传质和晶体生长有关， 控制溶质分布来满足所需凝固组织的形态。经过学者们多年的研究，横向磁场对 5 两北t 业人学t 学颂学位论义 液态会属流动的制动技术已经很成熟，并且在实际生产和实验室的研究工作中被 广泛的应用【l “。外加稳恒的横向磁场，使得流动的液态金属切割磁力线，从而 产生洛仑兹力来抑制液态金属的流动，其表达式为f = t r b 2 u ，当外加的磁场强度 一定，随流动速度的增大，产生的抑制作用力越强。 1 2 包晶合金的凝固 包晶合金的凝固是凝固过程中己结晶的固相和剩余的液相发生反应形成另外 一固相的过程，即三+ 口- - 9 。如图1 - 2 所示【1 8 】，在包晶温度下初生相口与液相 三反应生成包晶相，其中乃为包晶温度，e 、q 和c ，分别为此温度下的仞生相 成分，包晶相成分和液相成分。成分介于q 与q 的合金在凝固时均发生一定程度 的包晶反应。 f i g 1 2p e r i t e c t i cp h a s ed i a g r a m l l s 合金在凝固过程中要发生溶质的重新分配，而重新分配的程度可以用溶质分 配系数露来表示i m ，根据合金凝固时随溶质浓度的增加，凝固的丌始温度和终绪 温度的降低或升高，将溶质分配系数分为k i 。对于k o 时，表示界面受到的干扰随时f b j 的增大而增大，界面不稳定：反 之，当8 8 0 时，表示界面受到的干扰随时问的增大而减小，界面稳定。他们经 过一系列数学推导，得到一与刮艿相关且具有相同符号的函数s ( 珊) ，因此，通过 考察s ( ) 的符号即可判断界面稳定性： 1脚一( 姜) s ( o ) = 一乙r 珊2 一( 毋+ g t ) + 埘6 0 - = j z 一 ( 1 - 9 ) 2 0 * - ( 考) ( 1 一k o ) 式中，缈为扰动的空问频率，f = ，丛为g i b b s t h o m s o n 系数，y 是界面张力，丛 是熔化嫡，艺是纯会属在固液界面为平界面时的熔点，七。，局分别为固、液相导 热系数，g ，= ( 后，k ) a s ，g t = ( 向k ) q ，g 和瓯分别为固相、液相中的温度梯 度，g c 是界面前沿液相中的浓度梯度，国= v 2 d l + 【( y 2d ，j ) 2 + 彩2 p 是液相中沿 固液界面的溶质波动频率。 m s 理论是建立在固液界面局域平衡假设基础上的线性动力学理论，而实际 的凝固过程是一个十分复杂的非平衡、非稳态、非线性的动力学过程，所以此经 典凝固理论在实际应用中也存在其局限性。伴随着科学技术的进步，近年来人们 在凝固理论研究方面又取得了很大进展。具有代表性的是快速凝固理论，凝固过 程组织形态选择的时间相关性和历史相关性理论以及枝晶日j 距选择的容许范围等 3 q 。但是，与单相和共晶凝固中十分深入的理论分析和精确定量的数学模型构成 鲜明对比的是，包晶凝固领域的研究却很不成熟，对包晶凝固微观组织长期以来 1 0 第1 章文献综述 仅限于定性描述。然而，包晶凝固过程是包晶反应两相之间的生核与生长竞争， 所以理解包晶凝固的基础是对两相凝固过程及其相互关系的认识。单相凝固理论 的完善及其在共晶凝固研究中的成功应用范例，为包晶凝固的研究打下了一定的 理论基础，使建立定量的包晶凝固理论成为可能1 1 9 l 。 1 4 2 定向凝固包晶合金的界面形态和相选择 包晶合金定向凝固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 ，生长速度y ，成分c 0 ，流动影响) 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，通过利用单 相合会的界面响应函数，借助最高界面温度生长判掘和成分过冷理论进行分析。 1 4 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【6 】：平面晶专胞状晶专 胞状枝晶j 树枝晶斗细化胞状晶一带状一平面状。 5 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【1 9 】。因此，界面形态的这一演化过程可用界面响应。 函数腿f ( v ) 1 3 2 , 3 3 来描述， i e f ( v ) = m a x ( r ( v ) ，瓦d ( y ) ) 它是生长速度v 、温度梯度q 和成分c 0 关于界面温度瓦的函数。 1 4 2 2 单相胞枝晶生长时的界面生长温度 根据k g t 模型【3 孔，当g = 0 时，枝晶生长的界面温度为 刃= 乙一r 足+ 口帆一( 心乙丛) v v o 其中r 是g i b b s - t h o m s o n 系数，k 是枝晶尖端的曲率( 彪= r 2 ， 半径) 。当g 0 时，胞枝晶生长的界面温度为 t = 万一a r c ( 1 一l o ) ( 1 1 1 ) 足是枝晶尖端的 ( 1 一1 2 ) = g 口v( 1 1 3 ) 其中a r 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，导致凝固过程中出现了不同的界面形态。图1 - 6 是通过界面响应函数分析单相 合金在不同生长速度下的凝固示意图【3 ”，该图表明了凝固过程中，随生长速度的 增加j 界面形态的演化过程。从图中可以看到，在低速下，即v 屹= g d a 瓦， 1 i 两北t 业人学t 学坝i 。学位论史 无成分过冷，故平界面生长是稳定的，且弓= i 是一恒定的常数；但随生长速度的 增加，即屹 y 圪- - a z o ( v ) d k r ，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，当圪 y 一时( 吩。平界面生长最高温度对应 的速度1 ，出现了带状生长区。 0 c o 删蜘岫一一。吉= ：= 高2 吧岫一。- “ 图卜6 在正的温度梯皮下单相生长的界面响应函数示意图”“ f i g 1 - 6 i n t e f a c er e s p o n s ef u n c t i o n ( i r f ) f o rs i n g l ep h a s ei nap o s i t i v e t e m p e r a t u r eg r a d i e n tf o r a l l o y 【3 2 】 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 分下包晶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f e - n i i 川，t i a i 6 3 3 邡l 。z n - c u 1 9 1 等包晶合金 的相选择图。 1 4 。3 定向凝固包晶合金的微观组织及形成机理 1 4 3 1 完全的带状组织 许多包晶合会的定向凝固研究已经报道了低速下的带状组织。b o e t t i n g e r l 3 6 】首 先报道了s n - c d 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 会在凝固过程中形成的带状组织加以解释。随后，在s n c d l 3 7 , 3 8 ，z n c u 口9 1 ，a g z n 2 1 和p b b i 4 0 合金的低速凝固下得到了带状组织，后来在t i a i l s , 4 q ，f e n i l 4 2 】包晶合 1 2 第l 章文献综述 金的定向凝固中得到了类似 的带状组织，典型的带状组 织如图1 7 所示m 1 虽然早期对包晶合金的 研究过程中已经发现了带状 组织，但是一直没有合理的 理论模型对这一现象进行解 释。最近，t d v e d i 4 4 l 提出了 一个液相纯扩散条件下带状 组织形成的理论模型，如图 1 - 8 所示，在定向凝固过程 f g 墨：二嚣量鬻篓： 中，随初生相的形核和生长， 不断地排除溶质，在界面前沿形成溶质边界层，随凝固的进行，界面处液相中的 溶质浓度逐渐增加，导致界面温度的降低。当温度达到包晶温度时，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念发展，使液相的浓度 不断富集，当液相成分达到掣，在界面处的成分过冷满足包晶相的形核需求 ( _ 碍) ，则包晶相在初生相的界面前沿形核生长：随包晶相的生长，排除的溶质浓 度降低，并且使界面温度升高，倾向达到高于c 的稳定界面温度，当浓度为c r 时， 满足了初生相的形核过冷度( 碍) ，使它再次形核生长，这样周而复始，就形成了 吒c 0 吒c 1 。c ，c l 。 c o m p o s i t i o n 图1 - 8 典型的包晶合金相图及t r i v e d i l 4 4 1 模型的带状组织形成示意图 f i g i - 8t y p i c a lp h a s ed i a g r a mf o rp e f i t e e f i ca l l o y sa n dt h es c h e m a t i c i l l u s t r a t i o no f b a n ds t r u c t u r ef o r m a t i o nb yt r i v e d i l 4 4 1m o d e l 1 3 平界面生长的交替带状组织，并把带状组织的形成区i b j 定义在亚包晶成分范围内。 傅恒志等5 1 对包晶合会带状组织的形成研究中，给出了初生相口和包晶相在对方 前沿充分形核尘长时，其界面液固相的成分方程，以及c ? 和c f 为包晶相和初生 相在对方前沿形核所对应的合金成分。 批) = 卺等啪x p ( 等列 ( 1 - 1 4 ) 拍吲l - ( 1 一等啪x p 喏纠 ( 1 1 5 ) 略( z ) = 詈卜( 1 一等知) e x p ( 专别 ( 6 ) t 膨一等砂x p ( 舞纠 ( 1 1 7 ) 式中奠刈+ 鼎】，簟叫+ 看】a 1 4 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带状组织，并利用 t r i v e d i 【删模型进行了理论分析，而且在s n _ c d 4 卯，f e - n i 【4 6 1 凝固中发现了岛屿带状组 织，图1 9 ( a ) 和( b ) 分别为f e - n i 包晶合金实验所得的岛屿带状组织和计算机模拟得 驯的岛屿带状组织 圈1 9f e - n i 合金的岛屿带状组织：( a ) 实验组织( b ) 模拟组织 f i g 1 9 i s l a n db a n d i n gs t r u c t u r eo f f e - n i i 删 岛屿带状组织是初生相部分包裹包晶相，两相出现了竟楣生长。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，然后沿垂直于初尘 相生长的方向生长。两相在生长过程中同时排出溶质，它们的相对尘长速率由两 1 4 第1 章文献综述 相界面前沿排出的溶质浓度决定。 t r i v e d i 4 5 1 对岛屿带状组织的形成进行了分析，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，从而包晶相的生长受到抑制，出现了初生 相包裹包晶相的现象，产生岛屿带状组织。 1 4 3 3 共生生长 自从c h a l m e r s l 4 7 l 预测，在高的温度梯度下，包晶合余在定向凝固中可能形成 类似共晶合会的共生组织以来，共生生长一直为人们所关注。但是，早期的实验 结果一直没有观察到学者们