（材料加工工程专业论文）铝硅合金不同共晶生长模式下孔洞的研究.pdf

果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：缢丝 日期：趔垦至。挫 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：毯拯导师签名： 摘要 摘要 孔洞缺陷是铸造铝硅合金中最重要的缺陷之一。本论文利用x 射线温度梯度设备 ( x t g s ) ，在单向凝固条件下，实时观察近共晶铝硅合金凝固过程中孔洞的演化，考察不 同共晶生长模式对孔隙率、孔洞的大小、数量的影响以及共晶组织与孔洞之间的交互作 用。本论文的研究结果有助于帮助人们理解孔洞形成的物理过程，可为后续的孔洞形成 的数值模拟研究与预测打下了坚实的实验基础。完成的主要工作如下： 利用x t g s 设备成功实现了凝固过程中孔洞演化的实时观察。通过反复调节上下炉 温度和凝固速度，测定温度梯度和界面位置，使凝固过程中液固界面一直稳定在射线观 察窗口内某一合适位置。孔洞演化的实时观察结果表明孔洞能够在远离液固界面处形核 长大，大部分气泡开始的生长速度很快，然后生长速度变得比较平缓。同时还观察到孔 在凝固过程中的变形及合并现象。 通过改变合会成分、温度梯度和凝固速度，在单向凝固条件下得到了胞状晶、胞状 树枝晶、柱状树枝晶、等轴晶等典型的共晶形貌。研究发现在本文的实验条件下四种共 晶生长模式下孔洞缺陷中气孔占主导地位，缩孔数量较少且尺寸都较小。合会成分一定 时，随着冷却速度的增大，孔洞的平均当量半径、最大气孔尺寸均减小，但孔洞密度增 大。胞状共晶凝固模式下孔的演化规律主要受孔的生长控制，孔的形核相对次要，而等 轴共晶凝固下正好相反，主要受孔的形核控制，孔的生长比较次要。胞状树枝共晶和柱 状树枝共晶则处于两者之间，孔的形核和孔的长大对试样整体孔洞参数的影响都非常重 要。 根据金相观察结果提出四种孔与组织的交互作用模型。第一种称为共晶原位吞陷孔 模型，适用于平界面共晶生长、胞状共晶生长、等轴共晶生长模式下孔的尺寸小于晶粒 尺寸时。第二种称为共晶晶粒间孔洞收缩形变模型，适用于树枝共晶生长模式下孔的尺 寸小于枝晶尺寸时。第三种称为大孔阻碍共晶生长模型，适用于胞状共晶生长、树枝共 晶生长模式下孔的尺寸大于晶粒尺寸时。第四种称为共晶晶粒以大孔为基底形核模型， 适用于树枝共晶生长、等轴共晶生长模式下孔的尺寸较大时。 关键词：铝硅合金；孔洞缺陷；实时观察；定量统计；交互作用 国家自然科学基金资助项目( 5 0 7 7 1 0 3 1 ) e q u i p m e n to fx r a yt e m p e r a t u r eg r a d i e n ts t a g e ( x t g s ) w a su s e df o r t h er e a l t i m e o b s e r v a t i o no fp o r ee v o l u t i o nd u r i n gs o l i d i f i c a t i o ni nn e a re u t e c t i ca l - s ia l l o y , a n de f f e c to f d i f f e r e n te u t e c t i cg r o w t hm o d e so np o r ep e r c e n t a g e ，p o r es i z ea n dp o r en u m b e rd e n s i t y , a n d i n t e r a c t i o nb e t w e e np o r e sa n ds o l i d i f i e ds t r u c t u r e s h a v ea l s ob e e ns t u d i e d t h e s er e s u l t sh a v e ah i g h l i g h to nu n d e r s t a n d i n gt h ep h y s i c a lp r o c e s so fp o r ef o r m a t i o n a n dp r o v i d eu st h e e x p e r i m e n t a lb a s i sf o rt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sa sf o l l o w s u s i n gx t g se q u i p m e n t 。r e a l t i m eo b s e r v a t i o no fp o r ee v o l u t i o nh a sb e e na c h i e v e d b y r e p e a t e d l ya d i u s t i n gt h eu p p e ra n dl o w t e i f u m a c e st e m p e r a t u r ea n ds o l i d i f i c a t i o nv e l o c i t y , a n d m e a s u r i n gt e m p e r a t u r eg r a d i e n ta n ds o l i d l i q u i di n t e r f a c e t h ei n t e r f a c ec a nb ek e p ta ta ni d e a l l o c a t i o nw i t h i nt h ex - r a yv i e ww i n d o w r e a l t i m eo b s e r v a t i o ns h o w sp o r e sc a nn u c l e a t ea n d g r o wf a ra w a yf r o mt h el i q u i d s o l i di n t e r f a c e m o s to fp o r e sg r o w i n gf a s ta tt h eb e g i n n i n ga n d t h e nb e c o m i n gm o r ea n dm o r es l o w l y a n dd e f o r m a t i o na n dm e r g e ro fp o r e sd u r i n g s o l i d i f i c a t i o na r ea l s ob e e no b s e r v e d b yc h a n g i n gt h ea l l o yc o m p o s i t i o n ，t e m p e r a t u r eg r a d i e n ta n ds o l i d i f i c a t i o nv e l o c i t y , c e l l u l a r , c e l l u l a rd e n d r i t i c ，c o l u m n a rd e n d r i t ea n de q u i a x e de u t e c t i c sh a v eb e e no b t a i n e d i ti s f o u n dt h a ti nf o u rc u t e c t i cg r o w t hm o d e sg a s p o r e sa r ed o m i n a n t ，w h i l es h r i n k a g ep o r o s i t yi s l e s sa n ds m a l l f o rac e r t a i na l l o yc o m p o s i t i o n w i t ht h ec o o l i n gr a t ei n c r e a s i n g ，b o t hp o r e a v e r a g ee q u i v a l e n tr a d i ia n dt h em a x i m u mp o r er a d i id e c r e a s e a n dh o w e v e rp o r ed e n s i t y i n c r e a s e s i nc e l l u l a re u t e c t i cg r o w t hm o d e ，p o r ee v o l u t i o ni sc o n t r o l l e db yp o r eg r o w t ha n d p o r en u c l e a t i o ni sr e l a t i v e l ys u b o r d i n a t e c o n v e r s e l yi ne q u i a x e de u t e c t i cg r o w t hm o d e ，p o r e e v o l u t i o ni sc o n t r o l l e db yp o r en u c l e a t i o na n dp o r eg r o w t hh a sl i f f i ei n f l u e n c eo ni t i nc e l l u l a r d e n d r i t i ca n dc o l u m n a rd e n d r i t ee u t e c t i cg r o w t hm o d e s p o r en u c l e a t i o na n dg r o w t ha r eb o m i m p o r t a n to np o r ee v o l u t i o n b a s e do nag r e a ta m o u n to fm i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o n f o u rt y p eo fi n t e r a c t i o nm o d e s b e t w e e nt h ep o r e sa n dg r o w i n ge u t e c t i cs t r u c t u r e sh a v eb e e np u tf o r w a r d t h ef i r s tm o d e li s c a l l e da se u t e c t i ci n s i t us w a l l o w i n gp o r em o d e l ，w h i c hi sa p p l i e di np l a n a ri n t e r f a c ee u t e c t i c ， c e l l u l a re u t e c t i c e q u i a x e de u t e c t i cg r o w t hm o d e sa n dp o r es i z ei ss m a l l e rt h e ng r a i ns i z e t h e s e c o n dm o d e li sc a l l e da sp o r es h r i n k i n gi ni n t e r v a lo fe u t e c t i cg r a i n sm o d e l w h i c hi sa p p l i e d i nd e n d r i t ee u t e c t i cg r o w t hm o d ea n dp o r es i z ei ss m a l l e rt h e ng r a i ns i z e t h et h i r dm o d e l i s c a l l e da sl a r g ep o r ei m p e d i n ge u t e c t i cg r o w t hm o d e l ，w h i c hi sa p p l i e di nc e l l u l a re u t e c t i c ， d e n d r i t ee u t e c t i cg r o w t hm o d e sa n dp o r es i z ei sl a r g e rt h a ng r a i ns i z e t h ef o u r t hm o d e li s c a l l e da se u t e c t i cg r a i n sf o r m i n go n1 a r g ep o r e sm o d e l ，w h i c hi sa p p l i e di nd e n d r i t ee u t e c t i c ， e q u i a x e de u t e c t i cg r o w t hm o d e sa n dp o r es i z ei sl a r g e rt h a ng r a i ns i z e k e yw o r d s ：a i - s ia l l o y ；p o r o s i t yd e f e c t ；r e a l - - t i m eo b s e r v a t i o n ；q u a n t i t a t i v es t a t i s t i c s ； i n t e r a c t i o n u a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论l 1 1 前言1 1 2 铝硅合金及共晶凝固l 1 3 铝铸件中的孔洞缺陷2 1 3 1 气孔2 1 3 2 缩孔4 1 3 3 气缩孔4 1 4 孔洞形成的影响因素5 1 4 1 熔体洁净度5 1 4 2 熔体处理6 1 4 3 合金成分7 1 4 4 凝固条件7 1 5 孔洞缺陷的危害8 1 6 孔洞缺陷的研究现状9 1 7 本课题的研究背景和研究内容1 0 1 7 1 研究背景1 0 1 7 2 研究内容1 1 第二章实验研究方法：1 2 2 1 研究技术路线1 2 2 2x t g s 装置的基本结构1 2 2 3 试样的熔炼及制备1 4 2 4 确定实现不同共晶生长模式且易于射线观察的实验参数1 4 2 4 1 温度场的测量1 4 2 4 2 单向凝固实验1 5 2 5 微孔演化过程的观察采集与分析1 5 2 6 最终凝固试样分析1 6 第三章实验结果1 7 3 1 不同共晶生长模式的实验参数确定1 7 3 1 1 温度梯度和固液界面位置的确定1 7 3 1 2 单向凝固条件下不同的共晶生长形态1 9 3 2 凝固试样中孔洞的统计结果及分析2 4 3 3 不同共晶生长模式对孔洞的影响2 9 3 4 凝固过程中孔洞演化的实时观察3 5 3 5 共晶凝固过程中孔洞与生长着固相的交互作用3 9 第四章结论4 6 参考文献4 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 l 致谢5 2 i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 铸造铝合金是我国发展较早的有色金属材料之一，其密度小，比强度高，耐腐蚀， 因此广泛地应用于航空、航天、汽车、机床制造等制造业【l 】。目前，随着行业的发展， 尤其是汽车工业的发展，轿车生产总量激增，对铝合金的需求量越来越大。例如一汽生 产的红旗轿车，其整车铝合金铸件已经超过1 0 0 k g ，而且随着对节约能源和环境保护要 求的提高，铝铸件的生产f 朝着轻量化、强韧化、精密化和复合化的方向发展，铸造铝 合金的应用将有很大的空间【2 | 。 尽管铸造铝合金具有广阔的应用前景，然而，铝铸件中的铸造缺陷始终是困扰铸造 生产者的问题，有研究表明，铝铸件中最常见的铸造缺陷有：气孔、缩孔缩松、夹杂、 裂纹、表面缺陷等【3 】。这些缺陷导致铸件的内部品质及抗拉强度、屈服强度和塑韧性等 力学性能大大降低，限制了铝合盒铸件在更为关键部件上的应用。而铝铸件中的缺陷主 要形成于材料加工的过程，因此对缺陷形成原因及形成机理进行深入的探讨具有十分重 要的意义。 1 2 铝硅合金及共晶凝固 铸造a 1 s i 合会是铸造铝合金中最重要的一个系列，占铝铸件产量的8 5 9 0 【4 j 。s i 作 为该类合金的主要合金元素，使其既保持了铝合会密度小、比强度高的特点，同时提高 了合金的铸造性能，改善了流动性，降低了热裂倾向性，减少了缩松，提高了气密性， 可获得组织致密的铸件。 a 1 s i 二元相图如图1 1 所示，现在普遍接受的共晶反应发生在5 7 7 c ，含s i 量为 1 2 5 。a 1 s i 共晶凝固属于t h , 面- d , 面生长方式，s i 的长大形态以薄的带状晶体( 有 时以蜘蛛网状) 出现，而每个单独的板片都平行于 1 1 1 ) 晶面。在生长过程中，s i 相的 生长方向不易改变，但当它的生长空间受限，s i 相就可以通过孪晶的方式分枝，而a l 相却不能通过分枝生长赶上s i 相，所以共晶中的s i 相为领先相，0 c a i 相附着于领先相 形核。一般地，铝硅合金组织中共晶硅呈粗大的片状，初晶硅为粗大的多角形块状和板 状。粗大的硅相严重地割裂了基体，降低了合金的强度和塑性。改变硅相的形态，减小 其对基体性能的削弱作用，是提高铝硅合金性能的有效途径。 s ；，；f 躐早) k 厂_ 于1 它二 枷 s i 朋照置) 图卜1a 1 一s i 合金相图【5 】 l 奎堕叁兰堡：兰兰垡堡茎 铝硅共晶是由金属一非金属构成的非小平面小平面型非规则共晶，其凝同组织形态 复杂、多样。导致铝硅共晶凝固组织形态多样性的影响因素很多，诸如非金属相的体积 分数、共晶相两组分的溶解熵、晶体缺陷、吸附的杂质、生长温度等等【6 7 j 。根据a 1 s i 合金二元相图，这种由金属一非金属组成的共晶合金，在非平衡凝固条件下，共晶区向 非余属相一侧移动，也就是说，即使是共晶成分的a 1 s i 合金，当冷速较大时，共晶成分 合金的凝固组织表现为亚共晶的组织形态，由初生a 1 和共晶组织组成。这说明这种类 型共晶合金中的非金属相的生长形态，受液相中非金属原子浓度的制约瞵j 。铝硅这类非 规则共晶凝固生长是按耦合生长模型进行长大的，硅相的生长形态不仅受到生长界面前 沿硅原子的浓度分布的制约，而且受到a i 生长快慢的影响，事实上，金属相生长速度 也将改变界面前沿硅原子的浓度分布。液相中硅浓度的增高，改变了共晶生长界面前沿 浓度的扰动，从而改变了共晶组织中硅的生长形态p j 。 凝固时的固液界面通常为平界面、胞状界面、枝晶状界面。当平界面失稳后，在宏 观组织上就会出现胞状晶，胞状晶的生长方向垂直于固液界面，而与晶体学取向无关。 随着凝固速度的增加，胞晶生长方向开始转向优先的结晶生长方向，形成具有二次枝晶 的胞晶称为胞状树枝晶。大多数合金在足够大的凝固速度下，却具有高度的分枝形态， 即在二次枝晶上还会出现三次枝晶，人们通常将一次枝晶臂与热流方向平行的高度分枝 的晶体称为柱状树枝晶。在没有热流方向性的熔体内部还可能形成等轴晶，在定向凝固 时，如果固液界面前沿的液体中出现大范围的“成分过冷”，也会出现等轴晶l l 。 1 3 铝铸件中的孔洞缺陷 孔洞形成的过程很复杂。孔洞形成涉及到的物理现象包括流体流动、热传导、固相 晶粒的形核与长大，液固界面前沿溶质分配、孔洞形核和生长。影响孔洞形成的因素很 多，比如铸造合金的热性能( 熔化潜热和导热系数) ，合金的成分( 凝固范围和溶解的 氢含量) ，铸型的特性，铸件的几何形状和凝固速率。根本上，孔洞是由合金收缩和气 体演化的相互作用导致的，上面所列的影响因素都是通过影响这个相互作用来影响孔洞 的形成的。 关于铝铸件中孔洞缺陷的分类，根据p d i , c e i h 的归纳，按照孔洞的尺寸大小分可分 为宏观疏松( m a c r o p o m s i t y ) 和显微疏松( m i c r o p o r o s i t y ) ，按照形成原因可分为缩孔 ( s h r i n k a g ep o r o s i t y ) 和气：f l ( g a sp o r o s i t y ) 。这样的分类虽然不一定很准确，但它们却为人 们认识孔洞形成机理提供了一个依据。 1 3 1 气孑l 铝及其合金易于与气体发生反应。这主要是因为铝是活泼金属。与铝液作用的气体 主要是氢和氧，其他如n 2 、c o 、c m h n 等在铝液中含量不多。氢原子半径很小( o 3 7 a ) ， 能溶解到铝及其合金中，在铝铸件中氢有三种形态：固溶体、化合物和气孔。氧的原子 半径虽小( o 6 6a ) ，但它是一个极活泼的元素，不仅与铝形成固体非金属夹杂物，而且 也能与铝合金中的其他金属形成氧化物【1 2 1 。 氢溶入铝液的主要途径是由于水蒸汽和合金中组分反应，生成原子态氢，并在其界 面上建立起大的氢分压，使氢在铝液中的溶解度迅速而大量地增加。 2 砧+ 3 h 2 0 = a 1 2 0 3 + 6 h( 1 - 1 ) 2 由于氢在固相的溶解度远小于在液相的溶解度( 约为1 1 9 ) ，随着凝固过程的进行， 溶解于金属液中的氢不断地被排斥到液固界面前沿而进入液相，使得液相中气体的浓度 不断增加，与之相平衡的气体分压也不断增加。当液相中的气体分压大于气泡形成压力 时，气泡将依附枝晶臂、夹杂物和铸模中的裂纹、孔洞或凹槽形核，然后通过周围液相 中过饱和的氢向气泡扩散而长大。 但从热力学的角度看，氢气泡形成前还必须先形成气核，只有当气核大于其临界尺 寸时它才可稳定存在，同时还要克服铝液表面张力引起的附加压力，实际中气核自生是 困难的【”】。c a m p b e l l 1 4 】的计算表明，气孔在液态金属中的均质形核需要约3 0 8 0 m p a 的气 体分压。而c h e n 等【l5 】利用减压试验测得的数据表明，形成第一个气泡只需要很小的过饱 和压力，通常为0 1 k p a 左右( 减压室真空度为1 2 0k p a ) 。这证实了实际铝合金中的气孔 成核均是异质形核。众所周知，铝合金中的非金属夹杂特别是氧化物对气孔的形成特别 有利。实验测定氧化物夹杂与铝液之间润湿角为11 5 1 6 7 。，另一方面氧化物夹杂中含 有大量孔隙和裂缝。一般认为夹杂可以为气孔提供有效的异质核心1 1 6 1 。形成气泡的条件 是： 舔p a + 见，+ p r ( 1 。4 ) 式中，段为气体的析出压力，p 口为铸件的外加压力( 如大气压) ，鼽，为金属液的静 压力，肼为形成气孔时由于表面张力而引起的附加压力。对于非自发形核存在关系式 一譬，、 p ，= 等s i n 0 ( 9 0 。 秒 1 8 0 。) ，6 为铝液与气泡界面的表面张力，r d 表示在气泡成核的衬 。 。 底上能成为气核的小孔半径，0 为润湿角，段与液态金属中的气体含量有关【l 6 1 。 依附在外来表面的气核形成以后，溶解在金属中的气体由于压力差必将自动向气泡 扩散，当气泡长大到一定临界尺寸，就脱离该表面上浮。其尺寸大小决定于气泡从表面 脱离时的上升力和使气泡保持在固体表面的附着力相平衡，得到式( 1 5 ) ： d o = a ( 1 5 ) 式中面为气泡脱离表面时的临界直径，r m ，r g 分别为会属和气体的密度；t t l g 为液 体金属与气泡间的表面张力，么为常数，与液体对固体表面的润湿角目有关。液体润湿 固体时，0 2 7 2 咖，r = o 8 姗s ( a ) 和( b ) 分别是截面l 和截面2 的8 倍照片，( c ) 和( d ) 分别是截面1 和 截面2 的2 0 倍照片，( e ) 和( f ) 分别是截面1 的5 0 倍和2 0 0 倍金相照片 2 3 东南大学硕f ：学位论文 3 2 凝固试样中孔洞的统计结果及分析 利用射线对整根凝固试样探伤，将各段的照片拼接起来，得到各个状态的整体孔 洞情况，凝固方向为图上的从左到右( 图3 8 ) 。为了更清楚比较凝固各个阶段孔的情 况，将整根试样重新划分成5 至9 段( 保证每种状态下各段试样的长度都为2 5 r a m ) ，如 图3 9 所示。胞状共晶的试样后半部分由于实验装置的问题溶进了f e 元素，改变了共晶 生长模式，如图3 9 ( a 5 ) 所示，因此胞状共晶的试样我们只分析溶进f e 之前的四段试样。 胞状共晶时，第一段试样上既没有大孔也没有d , - 孑l ，第二段试样上开始出现少量 小孔，第三段试样上也有少量小孔，并且小孔的尺寸明显比第二段上的大，同时出现几 个尺寸较大的大圆孔，第四段试样上大圆孔的数量明显增多，大孔和小孔的尺寸均比第 三段的大。胞状树枝晶时，第一段试样也几乎没有孔，第二段前半段出现一些位置比较 集中的小孔，后半段孔的数量少于前半段并且尺寸明显增大很多，分饰的比较分散，第 三段有较多的大圆孔，尺寸比第二段中的大孔小，小孔比较少，第四段中d , ；f l 的数量明 显增多，大孔的尺寸比第三段的小，第五段和第六段上的小孑l 较少，大孔较多，并且大 孔的尺寸大于第四段的。柱状树枝晶时，第一段试样也几乎没有孔，第一段后半段及第 二段的前半段出现大量小孔，第二段后半段的小孔数量明显减少，出现几个大圆孔，第 三段到第八段孔的整体情况比较接近，每段上都是存在一些大孑l d , s f l ，但是大孔小孔的 数量尺寸分布都存在差异。等轴晶时，第一段试样几乎无孔，第一段末和第二段顺次出 现少量小孔、一些大孔，第三段上的小孔较少，存在几个大孔，第四段孔又变多，前半 段的孔比后半段孔大，第五段孔也较多，前半段孔比后半段孔多，第六段孔也较多，前 半段孔很明显比后半段少，第七段前半段上孔的尺寸比后半段的大，第八段及第九段上 也都存在一些大孔和d , - 孑l 。 总的来说四种状态存在一些共同点：一是凝固初期试样中都是呈现无孔一很多密集 的d , - 孑l - 数量较少的大孔的规律，只是四种状态的凝固起始阶段长度不一；二是共晶组 织稳态凝固阶段，各段上的孔的数量大小及分布都是存在差异的，从上文的叙述中来看 这种差异不具有确定的规律性。这说明了即使组织的凝固是稳态的，孔的形核生长却是 非稳态的。单向凝固中组织的生长往往是连续的，各个阶段的组织形态是相似的，但是 孔的形核生长虽然与组织凝固有关，但是同时有自己的演变规律，当液相中的氢累计到 一定的过饱和度后，气泡才能形核，随后气泡的长大也会消耗掉过饱和的氢，当液相中 的过饱和氧被消耗尽后，又需要一段时间氧才能过饱和，因此孔的形核牛长是不连续的。 第一段第二段第三段 第四段 第五段第六段第七段 第八段 第九段 1 虱3 - 8 各个状态的整体孔洞情况( a 胞状晶b 胞状树枝晶c 柱状树枝晶d 等轴晶) ( a 1 ) ( a 3 ) ( a 5 ) ( b 1 ) ( b 3 ) ( a 2 ) ( a 4 ) ( b 2 ) ( b 4 ) ( b 5 ) ( c 5 ) ( c 7 ) ( b 6 ) ( c 2 ) ( c 4 ) ( c 6 ) ( c 8 ) ( d 7 ) ( d 6 ) ( d 8 ) ( d g ) 图3 - 9 四种共晶状态的各段孔洞情况 ( a l a 5 分别为胞状晶的五段试样，b l - b 6 分别为胞状树枝晶的六段试样， c l - c 8 分别为柱状树枝晶的八段试样，d l - d 9 分别为等轴晶的九段试样) 表3 2 不同共晶生长模式下试样孔隙率的统计结果 炉号共晶生长模式t 7 r j 笋塑笔竽塑甓 了百总体孔隙率( 呦 h 1胞状晶00 5 2 5 74 6 4 一 1 5 4 h 2 胞状树枝晶 o 3 66 3 35 9 87 5 37 1 97 0 4 - 5 7 4 h 3柱状树枝晶1 6 2 6 1 25 0 26 2 15 2 75 6 36 1 46 7 1 5 2 7 h - 4 等轴晶o 3 9 1 6 61 2 13 3 62 1 73 1 24 3 73 5 32 9 4 2 5 3 2 7 表3 4 不同共品生长模式下试样各段最大及最小孔的当量j 卜径的统计结果 对图3 - 9 的图片处理后，再利用自行开发的p o r e d a t a 软件计算出各段的孔隙率以及孔 洞密度，并计算出每个孔的当量半径。孔隙率a 定义为所选区域的孔洞面积之和除以所 选区域的面积，孔洞密度p d x 定义为所选区域的孔洞个数除以所选区域的面积，孔洞的 当量半径可以通过孔洞面积s 来计算，假设孔洞截面等值于圆形的，那么孔洞的当量半 厂_ 径触定义为r ，= 形。孔隙率、孔洞密度、各段最大孔、最小孔的当量半径及平均当 一 y 儿 量半径的统计结果如表3 2 、表3 3 、表3 4 所示。 四种共晶生长模式的孔隙率及孔洞密度在第一段都比较低，然后随着凝固的进行明 显增大，这是由于凝固起始阶段固相分数较低，排出的氢较少，氢的过饱和程度较低。 但是从数据上看，柱状树枝晶时第一段稍高于其他三种状态，事实上从图3 - 9 ( c 1 ) 可以看 出第一段试样上同样也有一段几乎无孔的区域，只是比其他三种状态的短，因此在统计 第一段的数据时受到后半段试样的影响。胞状树枝晶、柱状树枝晶和等轴晶的第二段试 样的孔隙率明显增大很多，甚至高于后面某些段的数据，这可能是由于下拉之前试样下 端已经凝固，下拉后带来的热量也并不会使其再熔化，所以离凝固下端较远处形核的几 个孔有时间充分长大，这几个大孔对孔隙率的贡献很大。柱状树枝晶的第二段试样的孔 洞密度也比较高，这可能是由于冷速较快，并且这种状态的氢含量也较高，氢的富集程 度较高，氢容易过饱和并形成孔，使得过饱和氢纷纷依附夹杂等形核基底形核，数量众 多的小孔使得孔洞密度较大。 胞状共晶和等轴共晶的合金成分是a 1 1 3 s i 0 0 4 s r ，胞状树枝共晶和柱状树枝共 晶的合金成分是a i 1 3 s i 0 2 s r - 0 4 5 m g ，四种状态都没有经过精炼除气处理，尽管 四种状态的凝固条件各不相同，但是由表3 2 看出，胞状树枝晶和柱状树枝晶的整体孔 隙率比较接近，胞状晶和等轴晶的整体孔隙率也比较接近，并且胞状树枝晶和柱状树枝 晶的整体孔隙率比胞状晶和等轴晶的大得多，这说明合金成分对孔隙率的影响很大。由 于m g 是表面活性元素，且m g 的液态密度比a l 的液态密度小，当a l 熔体中的m g 含量逐渐 增加时，铝合金熔体表面的氧化物薄膜中m g o 的比重将越来越大。在a l 熔体表面形成的 兰三里壅丝! i 墨 一层致密的a 1 2 0 3 膜可对熔体起保护作用，可以有效地阻碍a l 熔体吸气和进一步被氧化， 但m g o 膜是疏松的，对a l 熔体不起保护作用，反而使a l 熔体更容易吸气和被氧化，所以熔 体中的氢含量会随m g 含量的增加而增加。另夕l m g 的加入扩大了凝固温度范围，在二元 共晶反应结束后在枝晶间进一步发生a 1 s i m g 的三元共品反应，由于三元共晶含量很 少，因而增加了补缩难度。有研究表i ) 2 7 , 3 7 - 4 0 ，s r 变质会增加孔洞的数量，孔隙率、孔 平均半径和最大孔半径都相应增大。 由表3 3 看出，胞状共晶各段及整体的孔洞密度都最小，柱状树枝共晶的整体孔洞密 度最大，高于冷却速度最大的等轴共晶的孔洞密度，这说明氢含量对孔洞密度的影响很 大。等轴共晶的整体孔洞密度却高于含氢量较高的胞状树枝晶的孔洞密度，说明了凝固 条件对孔隙率的影响有时甚至超过了氢含量的影响。 对于最大孔及最小孔的当量半径，由表3 4 可以看出，胞状共晶随着凝固进行，各段 上的最大及最小孔的当量半径都有逐渐增大的趋势。胞状树枝共晶、柱状树枝共晶和等 轴共晶除了凝固初始阶段最大孔的半径明显增大以外，之后各段的最大及最小孔的当量 半径的变化幅度不太大，没有明显的规律性。四种状态中胞状共晶的最大孔的当量半径 最大，胞状柱状共晶次之，柱状树枝共晶再次之，等轴共晶的最小。 通过比较胞状共晶和等轴共晶、胞状树枝共晶和柱状树枝共晶的孔隙率和孔洞密度、 孔洞尺寸，发现合金成分一定时，随着冷却速度的增大，孔洞的平均当量半径、最大气 孔的半径均减小，孔洞密度增大，对孔隙率的影响不定。这是由于冷却速度越大，固相 凝固速度越快，排到液相中的氢量增多，氢扩散的时间相对变少，导致氢局部富集程度 加剧，因而气孔形核条件会提前满足。冷却速度越小，固相凝固速度变慢，相同的固相 分数增量所需时问变长，气孔有更多的时间通过扩散方式吸附周围液相中的过饱和氢而 长大。 3 3 不同共晶生长模式对孔洞的影响 从上文的统计结果来看，四种共晶生长模式下各段试样孔的变化存在一些共同点， 但是各段及总体孔隙率和孔洞密度、孔的尺寸的差别也很明显，因此下面将分别分析四 种共晶生长模式对孔的影响。图3 1 0 是胞状共晶生长模式下试样各段孔隙率和孔洞密 度、孔的当量半径的分布图。凝固开始阶段试样中几乎无孔，随着凝固的进行，孔开始 逐渐增多，第三段和第四段的孔洞密度比较接近，但是第四段的孔隙率明显大于第三段， 孔的平均当量半径明显增大。根据射线实时观察孔洞形成过程结果( 见3 4 节) ，气孔能 够在远离固液界面很远处即开始形核长大，而并非只在液固界面前沿氢大量富集的地方 形核。基于这种实验结果，可以解释胞状共晶中出现的现象，当凝固开始进行到t o 时刻， 液相中的氢含量c h 仍未达到形核所需氢过饱和度s h ，直到某一时刻，氢含量达到s h ， 则从液固界面处至很远的液相中都有气孔形核。离界面越远处形核的气孔，气孔能够生 长的时间也越长，因而尺寸也越大。这就可以解释孔的直径从第2 段至第4 段明显增大 的现象。而对于四种共晶生长模式中胞状共晶生长模式下整根试样内最大孔的直径最 大，是由于凝固速度最小，氢有足够的时间析出，并且扩散至已经形成的孔中，大量氢 被已经存在的孔的生长所消耗，因而孔洞密度较小，但存在一些尺寸较大的孔( 孔的当 量半径为0 6 5 0 7 7 m m ) 。从孔的当量半径分布来看，胞状晶模式下射线照片上看不到当 量半径小于0 0 5 m m 的孔，这同样是由于凝固速度较小，孔形核后氢有较长的时间可以 扩散至孔内。另外由图3 1 l 的金相照片看出胞状共晶生长模式下，金属液的补缩顺利， 孔的形状大部分为圆形，少量为椭圆等不太规则形状，这应该是由于孔与正在生长的固 相组织的交互作用导致的，孔的边缘非常光滑，收缩特征不明显。 s e c t i o np o r er a d i u s m m ( a ) ( b ) 图3 - 1 0 ( a ) 胞状品的孔隙率和孔洞密度在试样各段分布情况 ( b ) 胞状晶的孔洞当量半径在试样各段分布情况 貉节俐鹊群垆7 7 ，? 轳94 蜚4 2 谬铭移场黟 ， 爹 穆 矽 驴， 弦 毳 募 i l 瓿砌妊；磊t ：f 撇缀；铲 磁级，；缴獭兹物施锄锄貔缓渤! 坚竺 ( a )( b ) ( c )( d ) 图3 1 1 胞状共品生长模式下孔的形貌( a ) ( b ) 5 0 倍( c ) ( d ) 1 0 0 倍 图3 1 2 是胞状树枝共晶生长模式下试样各段孔隙率和孔洞密度、孔的当量半径的分 布图。凝固开始时孔较少、尺寸也较小，进入稳定阶段后，孑l 洞密度先增大后减小，在 第四段达到最大值，孔隙率前三段的变化规律性不强，但是第四段达到最大值后，第五 段、第六段有缓慢下降的趋势。当量半径在0 0 5 0 1 m m 、0 1 一o 1 5 m m 、0 1 5 - 0 2 m m 、 o 2 0 2 5 m m 多个区间的孔洞的数量都较多，最大孔的直径减小至o 6 4 m m ，出现一些孔 的当量半径在o 0 5 m m 区间内。胞状树枝共晶生长模式下，冷却速度比胞状共晶时大， 窘4 艾 正3 笙三主壅墼笙墨 氢的扩散时i 、日j 变短，氢的局部富集程度增强，孔的形核更容易，氢被更多新孔的形核长 大消耗掉，另外气泡的生长也会受到枝晶0 【a 1 相和共晶晶粒在垂直于生长方向的限制， 因此最大孔的尺寸比胞状晶时小。金相观察结果( 图3 1 3 ) 说明该种共晶生长模式下大 部分是圆孔，位置在共晶体晶粒内，有少量形状不规则的i j , 孑l 在三元共晶区。 臣勿p x 圆p i x 形刁罚 n 闲赋 s s 。，式中为临界形核的过饱和度判据。气孔的形核位置是随机的，形核出现 s - h ” 的概率在过饱和度值区间上服成高斯分布，同时温度也会影响气孔形核的鼢值。 胞状共晶生长模式下，由于凝固速度慢，氢扩散的时间相对较长，氢更多地被孔的 长大所消耗，因此胞状晶时，孔的演化规律主要受孔的生长控制，小孔的形核相对次要。 而等轴共晶正好相反，由于凝固速度快，氢扩散的时间很短，氢的富集程度很高，孔更 容易形核，氢更多地被孔的形核消耗掉，因此等轴晶下孔的演化主要受孔的形核控制， 孔的长大比较次要。本文中的胞状树枝共晶和柱状树枝共晶生长时的凝固速度介于胞状 晶和等轴晶之间，因此孔的长大和孔的形核对孔洞演化的影响都很大。 第三章实验结果 3 4 凝固过程中孔洞演化的实时观察 3 1 3 2 节已经介绍过，上下炉温度为6 5 0 3 0 0 ，下拉速度为0 2 m m s 时，共晶 生长模式为柱状树枝晶，并且液固界面在凝固过程中一直稳定在射线观察窗口( 高2 7 m m 宽1 2 r a m ) 下边缘向上5 m m 处，适合观察孔的形核长大。图3 - 1 8 选自于实时采集的 射线图片，图片上深灰色部分代表铝合金，灰白色为孔洞。图3 1 8 ( a ) 表示合金液刚浇入 试样船内时熔体内无孔的状态，开始下拉通水时时间计为0 s ，下拉2 m i n 后温度场即稳 定，图3 1 8 ( b ) 至( k ) 说明在液固界面前沿一段距离之内随机出现了大量新形成的小孔并 逐渐长大，图3 1 8 ( 1 ) 说明也有一些在进入射线观察窗口之前就已经存在的孔，图3 1 9 ( a ) 至( c ) 说明图上白圈内的位置比较靠近的三个孔在长大过程中有两个孔合并成了一个孔。 整个凝固过程都没有观察到孔有明显上浮，这可能是由于a 1 s i 系金属变质后黏度大为 增加，气泡受到的上浮阻力太大所致，另外整个凝固过程也没有观察到孑l 的横向位移， 这可能是受到试验条件限制，即使有小孔被共晶晶粒向两侧排开，由于位移太小也很难 判断。 东南人学顾十学位论文 图3 - 1 8 柱状树枝共晶凝同过程中实时采集的孔洞演化的射线照片( 节选) 图3 - 1 9f t 一3 炉柱状树枝共晶凝周过程中实时采集的孔洞演化的射线照片( 节选) 处理图3 1 8 b 至k 的图片，选择跟踪的1 1 个孔，计算得出它们在每张图片上的当量 直径和重心位置，转化成每个孔的当量直径随温度的变化曲线，得到了图3 2 0 ，可以看 出大部分气泡开始的生长速度很快，然后生长速度变得比较平缓。在气孔生长初期，周 围液相的氢浓度较高，因此气孑l 生长速度较快。随着时间的推移，气孔周围液相中的氢 过饱和浓度越来越低，同时由于气孔的半径越来越大，与外界扩散的界面也相应增大， 所以气孔生长速度变得比较平缓。最终气孔被固相吞并，气孔半径不再增大。由于射线 分辨率有限，在射线观察范围较大的情况下，分辨不出气泡刚开始形核的位置，人眼能 够清楚辨认出来的气泡直径已经至少2 0 0 9 m ，从图中可以看出气泡出现的温度分布的比 较广，从5 9 7 到6 2 4 ，那么气泡的形核温度相应地将在此基础上更高，远远高于a l - s i 二元共晶反应温度5 7 7 。这说明气泡能够在远离液固界面较远的液相中形核和长大。 本文实验条件下大部分孔开始出现的位置在距离液固界面二十毫米之内，但是也有一部 第三章实验结果 分孔在进入视窗前即存在了，这些孔在远离液固界面很远的地方即形核长大了，这可能 是由于液相中有一些幸存的微小的小气泡或者含有大气隙的氧化夹杂物等形核能力很 强的异质核心，即使所处液相处的氢过饱和度是很小的，也依然能够使孔