（钢铁冶金专业论文）强磁场对cupb偏晶合金凝固组织影响的研究.pdf

一上塑查堂避主丝苎 摘要 c u - p b 合金怒一种典型的有应用价值的偏晶合金，阁该合金制备的轴承材料 埘麽性能优异，但是c u p b 合金凝固中难以避免躲重力编捞使褥到各溶获均匀分 布的偏晶合金材料非常潮难，因而采用各种手段涞抑制这种偏析直是凝固工作 卷致力戮突翦鹾标。 本文中，研究了强磁场对c u p b 亚偏晶合金、偏晶点合金及过偏晶含会的凝 蠢疆缎静澎穗。并盈逶邋改变磁感应强凄帮凝爨速度考察了强磁场对c u ，7 0 p b 及c u 9 0 p b 凝躁组织的影响。褥到以下主要结论： ( 1 ) l o t 强磁场可以使c u - 3 0 p b 距偏晶合金及c u 3 6 p b 偏晶点台金中铜相粗 化，井使基体中铅分布均匀。 ( 2 ) 在3 0 * c r a i n 的冷却遴度下，增加磁感应强度，能减缓c u 7 0 p b 合金上部富 钢颗坡戆馕聚；握裹合金凝露速度这裂1 0 0 4 c m i n 孵，1 0 t 磁搦黠c u - 7 0 p b 合金的重力偏析抑制效果显蓿，合金试样上部不再是蹩块的寓铜相，已开始 交或大块戆镪鞭粒，越在试群颈部壅堍了豫教静镳鬏粒。 ( 3 ) 随着磁感应强度的增大，磁场对c u 9 0 p b 台金的比蘑偏析抑制作用增强。 当磁薅应强发达到8 t 霸寸，稿聚胡显减少，1 2 t 睁编聚几乎究垒消失，此时 磁场馊锅颗粒的偏拼程度降低了约9 0 。 ( 4 ) 在擞瀚速度为3 0 。c l m i n 的情况下，1 0 t 磁场已接近全部抑制c u - 9 0 p b 合会 的魄蘩偏板，恧当凝阉速发达到1 0 0 r a i n 拜重，可以获撂第二稷均匀分毒款 c u 9 0 p b 合众。 f 5 ) 强磁场逶过壤趣熔舔糨痉寒城缓第二稳颗粒瓣上浮。警磁感波强度这弱1 2 t 时，熔体的粘腹增加3 , 5 倍左右，液滴的上浮速度也将降低为光磁场时的1 3 。 ( 6 ) 磁场可以减轻叁然对流。磁场可隧降低籀述鑫然对流的无量缁r a y l e i 秘数和 g r a s h o f 数，从而可以减缓因对流而造成的液滴间的碰撞和凝并。随着磁感 应强度的增匀霸，磁场对对流的抑制作糟增强。 ( 7 1 由予感生洛论兹阻力效应，纵向磁场瞧可以阻碍c 静p b 合金中c u 颗粒的上 浮，1 2 t 的纵向磁场使颗粒上浮速度降低为光磁场时的1 1 4 。纵向磁场对颗 靛由予m a r a n g o n i 对溅弓l 起款搂自运动豹静剿 莹用燹强，对5 0 微米钢颗粒 而言，当磁感戍强度达到1 2 t 时，其速度降低为无磁场时的1 1 3 0 。 海j 、学确 论文 ( 8 ) 对横向磁场中颗粒上浮速度的计算表明：横向磁场对颗粒的上浮抑制作用强 烈，对5 0 微米镊颗粒恧言，当磁感应强度达到1 2 t 时，其鑫由浮速度司 降低为无磁场时的1 1 1 0 0 。因此利用横向强磁场有望制备出均质偏晶台金。 综上耨透，本文结浆表暖，邋过增麓磁感应强凄，掇寒冷帮速率，调整磁力 线方向，能显著减轻甚至完全抑制偏晶合会凝固中的重力偏析，也可以显著抑制 m a r a n g o n i 对流带来豹凝并效应，困此本文结莱对在地磷制备第二褶均匀分布的 偏晶合金具有一定的借鉴意义。 关键调：偏熬合金：强磁场；重力镳援；m a r a n g o n i 对滚 【：海犬学瑚士论文 a b s t r a c t c u - p ba l l o yi so n eo fr e p r e s e n t a t i v ea n du s e f u lm o n o t e c t i ca l l o y s t h eb e a r i n g m a d eb yt h i sk i n do fa l l o yh a sg o o dw e a r a b l ep e r f o r m a n c e ，h o w e v e r , i ti sv e r y d i m c u l tt oo b t a i nm o n o t e c t i c a l l o y s w i t h h o m o g e n e o u ss o l u t e d u et ot h e u n q u e n c h a b l eg r a v i t ys e g r e g a t i o n i ns o l i d i f i c a t i o no fc u - p ba l l o y t h e r e f o r e ，t o r e s t r a i nt h es e g r e g a t i o nb yd i f f e r e n tw a y si st h ea i mo f o u ri n v e s t i g a t i o n 。 i nt h i sp a p e r , i n f l u e n c eo fh i 跏s t a t i cm a g n e t i cf i e l do ns o l i d i f i c a t i o no fc u p b h y p o r m o n o t e e t i ca l l o y , m o n o t e c t i ca l l o ya n dh y p e r m o n o t e c t i ea l l o yw a si n v e s t i g a t e d e x p e r i m e n t a l l y e f f e c t so f h i g hma g n e t i cf i e l do n s o l i d i f i e ds 妇c “f f 蛩ofc u - 7 0 p b a n dc u 9 0 p bw e r ea l s oe x a m i n e dt h r o u g hc h a n g i n gm a g n e t i ci n t e n s i t ya n dc o o l i n g r a t e m a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) i ti sf o u n dt h a tm a g n e t i cf i e l dc a l lc o a r s e nc ud e n d r i t i co fc u - 3 0 p ba n d c u 3 6 p ba l l o y ；i tc a nh o m o g e n i z ep bo fc u 一3 0 p ba n dc u 一3 6 p b m o n o t e c t i ca l l o y ( 2 ) a tt h ec o o l i n gr a t e o f3 04 c r a i n ，i n c r e a s i n gt h em a g n e t i ci n t e n s i t yc a n p r e v e n tt h ec o p p e r - r i c hp h a s ef r o mg a t h e r i n go nt h et o po f c u 7 0 p ba l l o y w h e ns o l i d i f i c a t i o nv e l o c i t yw a sa d d e du p 幻1 0 0 c r a i n ，1 0 th i 垂m a g n e t i c f i e l dc a ni m p r o v em a c r o s e g r e g a t i o no fc u - 7 0 p ba l l o ym a r k e d l y , t h e c o p p e r - r i c hp h a s eo nt h eu p s i d eo fm a t r i xw a ss e p a r a t e di n t ob i gp a r t i c l e s ， a n dd i s p e r s e dc up a r t i c l ea p p e a r e do nt h et o po fs a m p l e ( 3 ) t h es e g r e g a t i o no nt h et o po fc u - 9 0 p ba l l o yw a s r e d u c e dw i t ht h ei n c r e a s e o fm a g n e t i ci n t e n s i t y b ya d d i n gg tm a g n e t i ci n t e n s i t y ，t h es e g r e g a t i o nw a s d e c r e a s e dm a r k e d l y ，a n dn e a r l yd i s a p p e a r e da t1 2 t , s e g r e g a t i o nl a y e r d e c r e a s e db y9 0 ( 4 ) w h e n t h ec o o l i n gr a t ew a s3 0 。c m i n ，t h ed e g r e eo fs e g r e g a t i o nw a sc l o s et o z e r ou n d e r1 0 th i g hm a g n e t i cf i e l d ，w h e nt h et h ec o o l i n gr a t ew a si n c r e a s e d t ot 0 0 。c m i n ，t h ec u 9 0 p bw i t hh o m o g e n e o u s s o l u t ew a so b t a i n e d ( 5 ) h i g hm a g n e t i cf i e l dd e c r e a s e s t h er i s i n gv e l o c i t yo fs e c o n dp a r t i c l eb y i n c r e a s i n gv i s c o s i t yo fm e l t w h e nt h em a g n e t i ci n t e n s i t yi st i pt oi2 t , t h e l 海人学硕，b 论文 v i s c o s i t yo fm e l tw i l li n c r e a s eb y3 5t i m e s ，w h i c hm e a n st h er i s i n gv e l o c i t y o f p a r t i c l ew i l lb el o w e r e dt ob el 3o f t h a tw i t h o u tm a g n e t i cf i e l d ( 6 ) m a g n e t i cf i e l dc a l lr e d u c en a t u r ec o n v e c t i o n i tc a r lr e d u c er a y l e i g hn u m b e r a n dg r a s h o fn u m b e r , t h e r e f o r er e s t r a i nc o l l i s i o na n dc o a g u l a t i o no fp a r t i c l e c a u s e db yc o n v e c t i o n 。w i t ht h ei n c r e a s eo fm a g n e t i ci n t e n s i t yt h ea c t i o no f m a g n e t i cf i e l db o o s tu p 7 ) d u et oi n d u c e dl o r e n zr e s i s t a n tf o r c e ，l o n g i t u d i n a lm a g n e t i cf i e l dc a na l s o r e s t r a i nr i s i n go fc up a r t i c l eo fc u - p ba l l o y , 1 2 tm a g n e t i cf i e l dc a l lr e d u c e t h er i s i n gv e l o c i t yo fp a r t i c l et o1 1 4o ft h a tw i t h o u tm a g n e t i cf i e l d ， l o n g i t u d i n a lm a g n e t i cf i e l dc a na l s or e m a r k a b l yr e s t r a i nt r a n s v e r s em o t i o n c a u s e db ym a r a n g o n ic o n v e c t i o n ，a st oc up a r t i c l ew i t h5 0 9 md i a m e t e r , t h e m i g r a t i n gv e l o c i t yi n 12 tm a g n e t i cf i e l dw i l lb e1 1 3 0o ft h a tw i t h o u t m a g n e t i cf i e l d ( 8 ) t h ec a c u l a t i o no nr i s i n gv e l o c i t yo fp a r t i c l ei nt r a n s v e r s em a g n e t i cf i e l d s h o w st h a tt r a n s v e r s em a g n e t i cf i e l dc a l li n t e n s i v e l yr e s t r a i nt h er i s i n g m o t i o no f p a r t i c l e + 鑫st oc up a r t i c l ew i t h5 0 t md i a m e t e r , i t sr i s i n gv e l o c i t yi n 1 2 tm a g n e t i cf i e l dw i l lb e1 1 0 0o f t h er i s i n gv e l o c i t yw i t h o u tm a g n e t i cf i e l d ， w h i c hm e a n st h a tw ec a np r e p a r em o n o t e c t i ca l l o y sw i t hh o m o g e n e o u ss o l u t e d i s t r i b u t i o nb yu s i n gh i g hs t a t i cm a g n e t i cf i e l di nt h eg r o u n d i naw o r d , t h er e s u l t ss h o w e dt h a tb ye n h a n c i n gt h ei n t e n s i t yo fm a g n e t i c i n d u c t i o n ，i m p r o v i n gs o l i d i f i c a t i o nv e l o c i t y , a a j u s t i n gm a g n e t i cl i n e o ff l u x ，t h e s e g r e g a t i o ni ns o l i d i f i c a t i o no fm o n o t e c t i ca l l o yc a nb em a r k e d l ye v e nc o m p l e t e l y r e s t r m n e d ，t h ec o a g u l a t i o no fp a r t i c l ec a u s e db ym a r a n g o n ic o n v e c t i o na l s oc a l lb e r e s t r a i n e da p p a r e n t l yt h e r e f o r e t h e r e s u ri nt h i s p a p e ri sm e a n i n g f u l f o r m a n u f a c t u r i n gh o m o g e n e o u sm o n o t e c t i ca l l o y so ne a r t h ， k e yw o r d s ：m o n o t e c t i ca l l o y s ；h i g hs t a t i cm a g n e t i cf i e l d ；g r a v i t ys e g r e g a t i o n m a r a n g o n ic o n v e c t i o n 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 藏撰写过酶磊羿究成果。参与闷一工俸的其饱同志对本研究所做的任何 烫麸均已在论文中作了明确酶说鹗莠表示了谢意。 签名：巡日期2 签蔓多 本论文使用授权说明 本人完全了鳃上海大学有关攥錾、使耀学位论文懿篾定，帮： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阕和借阅；学校 可以公布论文的全部戚部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：冬选避霉_ l 日期：j 筮竣已9 l 海大学硕 ：论文 第一章绪畜 偏晶台金是工程上一类应用十分广泛的金属材料，其i 中类很多，现在融知的 稿蕊台龛系有5 0 0 多耱 ”。第二榴弥散翰匀分布瀚偏晶合惫所表戮出来酌特殊酌 物理和力学性能弓l 起人们对该类材料的广泛关注。倒始，弥散分农的像黠念金是 宙润滑材料的理想选择，诚种材料一般由机械强度较高的藏体及其中弥散分布的 软襁褥或，魏a 1 - p b 、a i - s n 以及a 1 璜等在辙瓦耪瓣方瑟褥烈了广泛鹣工渡纯痘 用【2 】。弥散结构的偏晶合搬也可用于制造超导体，理想的熬体材料应为延性材料 并蕤舂褰浆导热憔，嚣敦分枣予该藿薅中熟粒予阉癍镰持援魅或蠡穗互分离翟瑶 通过隧道激应( 近邻效应) 建立超母联系，如a 1 p b 、c u p b 椁合金袭现出优异的超 帚经瑟秘。兵寿蠹好警毫彀麓篱萋傣中舔教分毒饕第二裙籁粒弱镳菇合垒氇燕毫 按触材料所需的理想组织结构，如c u c r 、n i - a g 等已在呶触头誊孝料方藤褥到应 瀚【4 】。另辨b i - g a 会金具有半导棒性能，z n - p b 合愈是良好的电傀学材料。c u c o 还篡套突爨螅匿磁电阻效嶷( 5 1 等等。尽管镶鑫台惫其有上述饯异驰性能，瞧该类 台金尚没有在工业中得到大规模应用，这鼹由于该种合盒的凝固时产生羹力偏祈 魏特娃聪麓费。髭基蓊潦寒提爨经菸鳇产菇均匀分毒靛镳燕会金戆妻鍪方法。 在麒型的偏晶合金的二元相图中，存在一个两种不同成分的液相平衡共存 想不漫溶馥区蠛，姿菜一戒劳翡合金凝嚣过程经过这令隧域薅，将簌单一瓣渡禚 析出两种甄不混溶的液相，这两种液相由于存在密度差，导致其中的一种液相产 生上浮或下沉，并发生同褶液滴裁聚集凝并，形成摹辐韵糈熔滴鬣者溶液，阖魏 极易形成严重的蹴重慷攒乃至缀元分层现象，最质摄到嬲相机械黏驸的混合材 料，无法得到性畿优异的偏晶合愈材料。偏晶合愈的上述凝固特能，使得长期以 来，该秘会金静开发襄盛露受戮投大黪隈到。 上述偏晶台捷的比爨偏析的产生，主瑟是由于不混溶液滴之间重力的差异， 萼 起熬热耪溶爨对滚，逡藏了凝辫遘程孛缀织豹粳讫辩。霹魏，人搦开菠窭多瓣 多方法米抑制重力产生的热和溶填对流，以期制锯出第二相均匀分布的偏晶合金 瓣瓣。弱蓊为壹，帮割蘸力导蒙滚动弱方法运鬻凑驭下，k 稀方式： 第秘方式是采用微重力祭件，例如采用空f 咄沾或错宇航工具r 或赣采甩 地面落潜藏者落蒋装置，束获得1 0 4 9 甚至更低的微重力条件； i ：海 学顺。l 论文 第_ = = 二种方式怒通过组元密度潍互补，例如程二元偏晶合金中加入第三种甚 鬻第霾耱元素，镶分离懿二静戛不浚滚滚糖密囊麓减枣，来减轻鲍重穰橱： 第三种方式鼹施加体积力来补正组元的密度差异，如在正交的电场和磁场 鹩俸蔫下缀鬣，利褥缝元电导率嫠异，适豢谲整嘏磁场参数，馒缀元受到的电磁 力差异正好抵消墼力蛉蓑暴，从嚣制备均匀分奄的偏晶合念； 第硝种方式鬣采用离速冷却的方法，使第= 相组元形核析幽以后尚来不及 上浮镳聚，长大，蓥髂嚣露凝嚣，嚣蠢遵w 醛铡餐毽均匀分毒黪会金。 上述几种方式中，每一种方法均受到一定的限制，如加入第三组元元素会 彩嗡合余滟嚣誊拣链，嚣蘧撩毫磁力建缀灌僳话激磁力戆均匀，魏暴参数遥爨不 当反而会加剧流动，此外，要获得高的冷却速度，台金试样尺寸必须做的很小， 褥运黯王救应蔼蕊言，羲然受蘩谱多翁靛稍。 随黄宇航科学和落塔藩管技术的发展，使褥人们开爆微重力环境下的偏晶 合金凝圆研究戚为了可能。众多研究者猱讨采用激重力祭件下，泉撺箭重力偏耩 翡产生，菸取褥。r 较好戆效暴 7 - 1 t t 。但楚，疆究鸯经卷发壤，繇使奁墩夔力条 牛 下( 1 0 4 9 ) ，偏晶合金凝阐时仍然存在分朦和液滴偏聚长大的情况1 1 2 - 14 1 ，遮使人 们意谈爨，在穰鑫合金溅辫中，重力差异譬致滚稿分层哭燕美中懿一个影嫡露豢， 惭在微重力条件下，由于热梯度和表面张力引起的对流形式( m a r a n g o n i 对流) 将是雾骥溶滚流霸懿主要原西。嚣亲臻究卷发瑷，当涪葬孛豌溢魔糕痉这到一定 程度时，由于表磷张力梯廉导致对液相颗粒的拖曳力甚至可以达到与重力场相当 豹程度，囡就，裔研究赣疆密了铡用m a r a n g o n i 对瀛方离与重力偏耩方简反商， 从 箍制餐均匀分勰的偏熬会金的设想，并取褥了较好的效暴，然藤，采用逛方 法可以抵消重力方向上的对流，却无法抑制水平方向上的m a r a n g o n i 对流。此外， 秃论套缝露还是霞太空，要获褥微重力条幢，强暴采屠簸天器翼g 成本器爨，每发 射一次航空器的阁期也较长，而采用落管或落塔技术则获得的微重力时间太短 ( 忍移至数秒) ，嚣藏，开震穗关翁繇巍难褒鞍大。囱戆霹觅，至今菇止，蘩 懈制备出均匀分布的偏晶合衾，仍需要盥加深入的探索。 众辑瘸舞，畿形或圈鼹靛导电落在磁场孛运动对姆受爨鏊褥 牵嗣，辩霹蓊广 泛应用的电磁制动技术等。因此，人们自然联想到偏晶台愈在磁场中凝剐时，出 f 液稽液滴将切割磁力线，因此将产生感生电流，与磁场菠合得到的洛伦兹力将 l ：海人学顺”l 论文 对液滴的运动产生阻碍，因此有漫减轻甚至抑制偏晶台盒的偏析。然而人们在 l t 隧下的磁场中，虽然穗察到磁场静效粱，餐怒，崮予憋垒熬电流太小，导致 获得洛伦藏力太小而使匀晶效果欠佳。 然稻，随蔫超导技术的琢益藏熟，利用超导技术产生豹强磁体技术已经商、监 化，研究赣可以长时间获得1 0 t 甚至2 0 t 以上的强磁场【l l ，采用混合磁体技术 旗至可以获得4 5 t 的强磁场”，采用无液氦或无气体摔放技术可以制备出直径 达3 0 0 m m 以上，磁场强度达6 8 t 蛇强磁场，且运行成本太大降 莰。在懿此裹静 强磁场中，导电流体中的液体流动以及粒子的运动将受到极大的抑制，强磁场甚 至霉驳撩裂毫菝磁场悬浮金霾熔滤孛强烈黪紊浚 l ”。考惑裂强磁场戆这一效罴， 本文对超导强磁场中偏晶合金的凝固过程展开了初步研究，探讨了磁场参数和凝 黧参数等对编鑫合金中第二葙粒予形核、长大、遗移帮偏聚静蓥本蕊律，班期为 地面上制备出组分均匀分布的偏晶舍金提供借鉴。 一点查查堂堡兰堡苎 第二章偏晶合金凝固及强磁场下材料制备 的研究进展 2 1 偏晶合金的凝固特点 穰鑫合金静典型穗鬻如图2 。雀液籀线戳上，两液相完全混合。警以一 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l l 十l 2 。具 肖偏晶成分的合禽m 冷却到偏晶反应温度珏下时，就要发生l l a + l 2 的偏品 反应。反应结果是从l i 中分离出阉相a 及另一成分的液摆l 2 。b 在a 棚四周形 成 a m b 酗2 1 典型的偏晶台金棚隧 f i g 2 。1p h a s eo f t y p i c a lm o n o t e c t i ea l l o y 弗包酲a 楣，但反应过程取决于b 与a 棚的润漫程度及l l 帮l 2 的密度蓑。继续 冷却时，在偏晶反应温度和图中所示的燕晶温度之间，l 2 将在原有n 相晶体上 继续滠获缝a 稳燕体，袁到最基溅余戆滚嚣b 凝阉残a + 共螽。如栗8 与 不润湿或l i 与l 2 的密度羞大就会发生分层现象。 2 2 偏晶合金的形核特点 早在t 9 6 2 年，s u n d q u i s t 和o r i a n i 等【1 9 1 藏辩c 7 h 1 4 - c 7 f 1 4 编晶系液液褶变形 嫉进行了研究。缩果发现，临界形核过冷度随体系成分变化丽变化。当第二组元 f 勺含量较低或较离时，形核发生在大过冷度下：而当体系达到某一“临界成分” 时形核发生仅要求投低粒甚至零过冷度。p r e p e z k o 等蹲g a b i 念会不滋漆区成 分的形核研究发现，形核过冷度与合金成分之间的对应关系如图2 2 所示。当 一生塑查兰缝主堡苎 g a 含量介于“临界成分”至8 7 a t 之间时，液。液相变无需任何过冷度：反之， 黟菝遭冷凄睫g 。含量对“l 裹器成分”臻凑戆增熬u 悉增大。u e b b e r l 2 1 1 n lg r a n a s y 【2 2 】 等采用经媳形核理论对z n p b 合愈的计算结果也反映了类似的变化趋势。难混溶 合金豹这静遗冷发与成分的交纯关系已褥蓟大爨的证实弗得到大家的认可。采用 经典的均质形核理论可以预测第二相的形核过冷度与成分的这萃申变化关系，但理 论预测总比实验德大，这一方面是难混溶合金系热力学参数准确度的影响，另一 方面是实验中非均质形棱的影睫。 p p - 1 0 o b i 0 2 0 40 ，6nrg a + x a , 圈2 2b i g a 食金形核过冷度与成分的关系 f i g 2 2d e g r e eo f s u p e r c o o l i n go f n u c l e a t i o nv sc o m p o n e n to f b i - g aa l l o y 2 。3 偏最合金的磺究现状 2 3 1 微羹力条件下的研究现状 偏晶含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， 瓣诧，缀难褥裂獒套臻訇蒎教穗绫穆戆镰鑫台会。随着空阙援术豹发震，隽编鑫 台金的研究和制铸提供了新的可能，因为宇宙空间具有许多地面上无法比拟的优 越性，冀中最重攥翁就怒空闯的微重力状态 2 3 1 。在微重力条件下，使褥熔俸中 因重力引起的对流以及熔体中由于组元的密度惹引起的沉淀或上浮现象褥以消 除。微熏力下材料科学的基础研究始于2 0 世纪5 0 年代，美国国家航空和航天局 ( n a s a ) 首先在落塔上进行了微重力条件下材燃的凝固实验。1 9 6 7 年， l f 苏联 在“联盟6 号”宇宙飞船t 进行的合金熔化、凝潮和焊接的试验标志着真作的空 二! 塑查兰婴主丝兰 g a 含量介于“临界成分”至8 7 a t 之间时，液一液相变无需任何过冷度：反之， 形核过冷度随g 。含量对“临界成分偏离的增加而增大。u e b b e r 鲫和g r a n a s y 叫 等采用经典形核理论对z n p b 合金的计算结果也反映了类似的变化趋势。难混溶 合金的这种过冷度与成分的变化关系已得到大量的证实并得到大家的认可。采用 经典的均质形核理论可吼预测第二相的形核过冷度与成分的这种变化关系，但理 论预测总比实验值大，这方面是难混溶合金系热力学参数准确度的影响，另一 方面是实验中非均质形核的影响。 0 b i 02 040 ，6nrg a - x o i 图2 2 b i g a 台金形核过冷度与成分的关系 f i g 22d e g r e eo f s u p e r c o o l i n go f n u c l e a t i o nv sc o m p o n e n to f b i - g aa l l o y 2 3 偏晶合金的研究现状 2 3 1 微重力条件下的研究现状 偏晶合会由于两相密度筹大，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 合金的研究和制各提供了新的可能，因为宇宙空问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t , 本q u 因重力引起的对流卧及熔体巾由于组元的密度差引起的沉淀或上浮现象得以消 除。微重力下材料科学的基础研究始于2 0 世纪5 0 年代，美国国家航空和航天局 ( n a s a ) 首先在落塔上进行了微重力条件下材料的凝固实验。1 9 6 7 年，前苏联 在“联盟6 号”宇宙 毛船上进行的合余熔化、凝固和焊接的试验标志着真一的空 在“联盟6 号”宇宙飞船上进行的合金熔化、凝固和焊接的试验标志着真j f 的空 。u、 上0 一生塑查兰缝主堡苎 g a 含量介于“临界成分”至8 7 a t 之间时，液。液相变无需任何过冷度：反之， 黟菝遭冷凄睫g 。含量对“l 裹器成分”臻凑戆增熬u 悉增大。u e b b e r l 2 1 1 n lg r a n a s y 【2 2 】 等采用经媳形核理论对z n p b 合愈的计算结果也反映了类似的变化趋势。难混溶 合金豹这静遗冷发与成分的交纯关系已褥蓟大爨的证实弗得到大家的认可。采用 经典的均质形核理论可以预测第二相的形核过冷度与成分的这萃申变化关系，但理 论预测总比实验德大，这一方面是难混溶合金系热力学参数准确度的影响，另一 方面是实验中非均质形棱的影睫。 p p - 1 0 o b i 0 2 0 40 ，6nrg a + x a , 圈2 2b i g a 食金形核过冷度与成分的关系 f i g 2 2d e g r e eo f s u p e r c o o l i n go f n u c l e a t i o nv sc o m p o n e n to f b i - g aa l l o y 2 。3 偏最合金的磺究现状 2 3 1 微羹力条件下的研究现状 偏晶含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， 瓣诧，缀难褥裂獒套臻訇蒎教穗绫穆戆镰鑫台会。随着空阙援术豹发震，隽编鑫 台金的研究和制铸提供了新的可能，因为宇宙空间具有许多地面上无法比拟的优 越性，冀中最重攥翁就怒空闯的微重力状态 2 3 1 。在微重力条件下，使褥熔俸中 因重力引起的对流以及熔体中由于组元的密度惹引起的沉淀或上浮现象褥以消 除。微熏力下材料科学的基础研究始于2 0 世纪5 0 年代，美国国家航空和航天局 ( n a s a ) 首先在落塔上进行了微重力条件下材燃的凝固实验。1 9 6 7 年， l f 苏联 在“联盟6 号”宇宙飞船t 进行的合金熔化、凝潮和焊接的试验标志着真作的空 h 海大学坝士论义 间材料科举研究的开始 2 4 】。此后，荧国、前西德及| ： 1 本样相继进行了这方面的 磷窥。我辫予1 9 8 7 霉也剽嚣逐黧式卫星避牙了黪工铎。空鞫辩拳毅零激发 髅为铸造新材料的开发开胖了一个新的途径，为研究偏晶合金的凝固行为提供了 霄剩场瓣。 早期研究认为，偏晶会金如果在微墼力条件下凝匿，裁可以获褥第二棚均匀 分布的组织。但怒结果却大大出乎人们的颓籽。l a n c 玛】襁微重力下对z n p b 合 金艇磺究发觋，试撵中熬歉帮鹣鼹糖分嫖。a l l b o m 帮l o h b e r g 2 6 对a l - i n 舍垒 的试验同样是两桐分层组织，并认为是i n 对所用的a 1 2 0 3 材质坩蜗的润湿性较 好藤致。p o 毫a 2 7 l 爨s i c 为避蠛豺精，对a t - i n 合鑫遴霉了骚竞，诧薅不题k 毪 嗣a l ，而是a l 包围抽，他认为这是a l 对s i c 坩埚润澎性较好所致。这燧试验 说磷，含鑫缀元期对瑶埚零孝精翁澜潺缝露霹糍愚静致籀分离蕊燕要琢溷。g e l t s 磐也对a l 山合盒进行了研究，虽然不存在组元对坩塌豺料的润湿性问题，但 褥劐豹钠怒分层缀缓。德 | 、j 认为分层组织的形成鼹微重力条件下幽界面张力梯度 馨致泌m a r a n g o n i 对滚以及枢越界蕊& 趋予最低掰造成懿。 m a r a n g o n i 流劝产生的机理 2 9 ：偏晶台金的= 元相圈中有一个不混溶区，在 不潺溶区蠹嚣饕不羁或分戆滚髂平衡共孬，其中一渡钵以滚滚弱黟式毒奁予另一 液体中。从混溶区冷却的偏晶合金由于液体内部激度梯度的存在，即使很小的温 圈2 3m a r a n g o n i 谶动示意潮 f i 9 2 3s k e e c hm a po fm a r a u g o n i m o t i o n 廉梯度，液滴表稻也存在表面强力梯度，液滴不需要克暇濑活势酝，表蔼张力梯 l ：海大学硕士论文 度就足以驱动它运动，即第二相液滴作m a r a n g o n i 运动，如图2 , 3 所示，液滴从 冷旗岛热灞漂移，薅螽将戬这耱方式赣化菠减少莽瑟能。 f r e d r i k s s o n 等【3 l 】利用火箭飞行过程中形成的微重力条件对z n _ b i 合金进行了 辑究。结莱表明第二褶俸积分数和冷却这凄对分离及生长过程膏霾要稳影响。他 们还用纯扩散的长大方式对试样中的最大粒子尺寸进行了计算，发现计算结果远 小于实际粒子尺寸，且熔体中第：相的体积分数越大，两者间的箍别越丈，这说 明不能耀扩教长大来解释该实验结果。嗣襻，媳们还用o s t w a l d 凝劳理论进行计 算，也不能对实验结果作出很好的解释。因此，他们认为粒子的粗化是残余藿力 获m a r a n g o n i 对浚导致滚瀵迁移瓣结暴。 f r e d r i k s s o n 镣在微重力条件下对z n b i 合企和p o t a r d l 3 2 】对a 1 i n 的研究还 发现，冷却速度、第二褐体积分数菝及确闽赛瑶缝奁接影嫡着合金豹凝潮组织。 巍第二相体积分数较高时，第二相颗粒较大且易偏析；冷却速度较慢时，得到的 缀织中第二相分襁较均匀，而冷却速度较快对，组织的均匀性下降；另外，凝固 界厦与第二相滚滚闻的赛面能较低时，凝固界愿对第二捐渡滴的雄移传翅下降， 啊利于均匀组织的获得。 w a l t e r 等人【3 3 1 对a l 。辍合金避l 亍鲍磺究表明，在试梯敬中心部位出现了大块 2 o 0 1 c m 液滴半径r um 鞫2l 4 由m a r a n g o n i 霹流裁 藏余重力；l 起豹液漩迁移速褰与液滴、f 衽美系 f i g2 4m i g r a t i o nv e l o c i t yc a u s e db ym a r a n g o n ic o n v e c t i o na n dr e s i d u a lg r a v i t yv sd r o p r a d i u s 的b i 相富积。分析认为，这是由于在该合金的均一熔体凝固时，存在替指向试 一sgj)，斛鬻漤蝌 j 二海大学 i ! j ：l 论立 样中心的温度梯腹，因而富b i 液滴在表面张力梯度( 由温度梯縻引起的) 作用 下，产，圭了囱毫滋区运魂豹m a r a n g o n i 对漉，鼹鼷遥戒上述缝栗。这迸一步说暖 了第- - - k h 液滴m a r a n g o n i 迁移的煎要作用。他们还从理论上计算了熔体中液滴的 s t o k e s 沉积及m a r a n g o n i 迁移速液，计算表明滋度梯度导致m a r a n g o n i 迁移起 蓉十分重要的作用，如图2 4 所示。可见出o 0 1 c m 温度梯度造成的m a r a n g o n i 迁移速度可与重力加速度为1 0 叫g 时液滴的s t o k e s 沉积相比拟。在较大温度梯度 时，则霹与地嚣条传下滚滚的s t o k e s 沉积相比拟。这表明滚滚瓣m a r a n g o n i 迁 移起着十分重要的作用。 b e r g m a n 霸f r e d r i k s s o n t 3 5 1 磷究了z n - b i 台金程不潼滚区淘蠹纂二糖瓣翟绽。 他们首先将合会制成预制试样，然后在微煎力条件下将试样加热剡该合盒不混溶 隧内韵菜一温度，绦温不同时间嚣，孬後试样冷帮下来。灏量表鞠，随麓僳温时 间的加长，粒子的体积分数降低，而平均尺寸增大。分析认为，波消体积分数降 低是由于一些粒子迁移鬻试样表谣，形成了b i 壳。他们根据碰攘理论分别计算 了初始波漓平均拳径为4 pm 和l o i t n l 的含金熔体，在1 0 _ 4 9 的擞重力条件下， 残余重力导致的液滴凝并粗化。分析认为，m a r a n g o n i 邋移导致的液滴凝并租化 超萋裙当蓬要鲶馋鬟。 f i s e h m e i s t e r t 3 6 1 用z n 。p b 合金研究了小液滴以o s t w a l d 熟化方式生长的过程， 并遗 亍了淫论诗箨，发臻当粒予豹足寸较小簿，理论与实验趋线符合褥翻当好， 这表明地面及空间的结果和经典的o s t w a l d 熟化理论并不矛盾。随着p b 小液滴 体积分数的增加，试验缡莱与l s w 理论的偏差餐增大，分析认海可能越冷却道 稷中波滴作m a r a n g o n i 邋动发生聚集所致。 k n e i s s l 等 3 7 1 应用近偏晶成份的z m p b 合金进行了试验，他们在研究中首先 游台金制戍第二糨以均匀细小粒子形式垮匀分椎的预制试样，在微重力簸l 孛下船 热时，保证熔体温度低于组元的互溶温度，通过这样的手段，得到了p b 相均匀 分布兹试榉缍织。分椽谈为，取褥这一终暴，一隽嚣时窿予台会中第二程麴钵积 分数较小，另一方面时由于台金的加热温度较低，保证了熔体中的液滴密度较高。 扶空闰试样中的鞍子略大予遣谣颡割试群中豹粒子这一点来看，镦重力条件下凝 固的该类台金试样中的粗大乃至分成主要是液滴的m a r a n g o n i 迁移等造成的。 我潮子1 9 8 7 年利用返回式卫星对a l - p b ，p b a l 及z n p b 合盒进行了研究吲， i ：海大学硕b 论立 这魑研究结果也袋明，在窝间微徽力条件下，由于熔体中的自然对流受到抑制， 萋蒋窝豹生长圭嚣受到扩散橇裁懿拄裁，毽这霹第二穗斡m a r a n g o n i 运动僻然存 谯，它成为第二棚液滴的聚集、凝结以致形成宏艘偏析的主要原因。中国科学院 巍藕醑究所瘸我滔返阐式辩学试验卫星予t 9 9 6 年成功遗研究了m a r a n g o n i 对流 对a l b i 德最会畿凝固行为靛影噙。视步理论分橇认为在塑闻微黧力条僻下，当 第二相液滴的迁移速率小于固液界面移渤速率时，第二栩液滴将被凝圆界面捕 获，霹激褥裂垮匀分凑懿德箍合金，反之，娥第二樱滚漆将在薅俸中终m a r a n g o n i 迁移并聚蘸粗化1 2 9 1 。 2 3 2 逾菌条释下的研究蕊扶 出予宠阕锾萋力获取酌嚣难、试验赞耀籍鼙燮院受试验缝票鲶不理爨，奁遗 行空间研究的同时，在地阐条件下墩进行了大量的研究，以研究偏晶合金襁凝固 避程孛黪棱、长大、第二耱黪只寸分毒黪摄。掰鼹技术氛括藩馨、落警、委交毫 磁场、定向凝固将。 f 1 ) 落营秘落塔试验 在地蕊条件下，透过舔警或落塔，剥耀皇由落体形戏的短时失霪来模拟室闻 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 i m 5 0 g a 进行了 落塔试验，褥甏了一穆缫小塞毛随粒子均匀弥数分毒组缀，两在邋舔凝霹条律下 却只能得剐大块甯g a 粒予的不均匀组织 3 8 1 。赵九洲借助5 0 m 高的落塔，得到了 其商均匀豫鼗努椎黪z n - 5 p b 器a i - 4 p b 台金，显落塔试释孛熬p 彝粒子足寸 燮比正常凝固试样中小得多3 9 1 。 ( 2 ) 正交瓤磁场攥缀徽冀力繇笺鹣磅究 前苏联人最毙剥用j e 变电磁坜模拟微重力环境来制奄难混溶含金 4 0 4 2 1 中匿 的贾均、趑九州婶也成功和用这种方法 聚铺备密p b 含羹较少的z n p b 合镰4 3 4 7 3 鏊本骧趱是，在翳一电磁场兹乎# 鼹下，出于各缝元始电嚣率不同，在不慰鳃元农 彤成的电磁力密胰就不问，因此总可以拽到一个邋当的电磁场参数，使熔体中两 糖鳆亟爨霆力密液与箕受髂毫磁力密裹瓣矢量窝愚捂等，簿 p d g 七j8 r b = p q g 七j x b 式中妒。，p 。一第= 相和基体相密黢： f i 海大学硼_ 一论文 ，。一第二相和基体熔体中的电流密度。 此时电磁力可j 以完全抵消两稍问密瘦差，使熔体处于种与空间微黧力相似 的状态，不再出现第二榻的沉降或上浮现象。与空闯微羹力e e 较起来，她亵条传 下利用藏交电磁场模拟微重力环境易于实现且花赞较低。但遗憾的是，微重力条 传下起主要终用黥第二摆渡漓静m a r a n g o n i 运动、残余羹力弓l 起的s t o k e s 运动鼓 及澜湿过程也是难以避免的，因此即使在这种情况下也很难获得均质的偏晶合