定向凝固下共晶合金中相的競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)

定向凝固下共晶合金中相的競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)

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1、中國(guó)科學(xué)E輯工程科學(xué)材料科學(xué)2005,35(5):479~489479定向凝固下共晶合金中相的競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)*李雙明馬伯樂(lè)李曉歷劉林傅恒志(西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710072)摘要通過(guò)討論定向凝固下共晶合金中各相的凝固界面溫度,獲得了共晶組織凝固的速率區(qū)間.分析了有初生相下不同凝固速率中共晶凝固組織對(duì)應(yīng)的固相成分,給出了共晶合金出現(xiàn)共晶暈圈組織和同時(shí)存在α相、β相和(α+β)共晶三者競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)的凝固條件.對(duì)Sn-Pb和Al-Si共晶合金的計(jì)算結(jié)果表明,Sn-Pb共晶合金定向凝固下不存在α相、β相和(α+β)共晶三者同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)的凝固組織,也不存在共晶暈圈組織,但A

2、l-Si共晶合金中這兩類組織都有可能存在,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合.關(guān)鍵詞定向凝固共晶合金競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)定向凝固技術(shù)不僅可用于凝固基礎(chǔ)理論研究,而且還能直接生產(chǎn)出如航空發(fā)動(dòng)機(jī)單晶渦輪葉片等高性能的產(chǎn)品.在共晶合金領(lǐng)域,利用定向凝固技術(shù)制備的自生復(fù)合材料與單相合金相比,因其組織細(xì)化,性能設(shè)計(jì)更具有廣泛性而備受關(guān)注[1~4].但在平衡凝固下,只有共晶點(diǎn)成分的共晶合金才能獲得共晶自生復(fù)合材料,這一點(diǎn)極大地限制了其應(yīng)用和發(fā)展.為了擴(kuò)大其應(yīng)用范圍,對(duì)非共晶點(diǎn)成分的共晶合金進(jìn)行了大量的凝固研究,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在凝固速度很低下也能獲得共晶自生復(fù)合材料[5],但由于效率低,所以很難在生產(chǎn)中加以應(yīng)

3、用.如果凝固速率較大,進(jìn)入非耦合共生區(qū)獲得的凝固組織往往是粗大的初生α相加細(xì)小(α+β)共晶的混合組織,有些情況下組織中還同時(shí)存在單獨(dú)的β相[6,7],因此定向凝固下共晶合金中存在α相、β相和(α+β)共晶三者的競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng),凝固組織比較復(fù)雜較難控制.本文通過(guò)分析和比較共晶合金中α相、β相和(α+β)共晶三者的凝固界面生長(zhǎng)溫度,來(lái)討論它們之間的競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng),并相應(yīng)地給出不同凝固組織所對(duì)應(yīng)的凝固參數(shù),以更準(zhǔn)確地控制定向凝固下共晶合金凝固組織及其形態(tài).2004-08-04收稿,2005-02-23收修改稿*國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):50395102,50401014)、航空科學(xué)基金(批

4、準(zhǔn)號(hào):01G53038)以及西北工業(yè)大學(xué)英才計(jì)劃資助項(xiàng)目SCIENCEINCHINASer.EEngineering&MaterialsScience480中國(guó)科學(xué)E輯工程科學(xué)材料科學(xué)第35卷1共晶合金中相的競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)定向凝固中給定成分和溫度梯度下單相合金的界面生長(zhǎng)溫度與凝固速率之間的關(guān)系為[8]GDTTAVi=j??,j=α,β.(1)LL1/2jLjVj方程(1)中TL為j相成分為C0的液相線溫度,GL和DL為液相溫度梯度和擴(kuò)散系數(shù),V為凝固速率,參數(shù)Aj的表達(dá)式為[8]Aj1/2?8ΓjmjC(1kj)??=???0D??L,j=α,β,(2)其中,Γj,mj和kj分別

5、為j相Gibbs-Thomson系數(shù)、液相線斜率和平衡溶質(zhì)分布系數(shù).對(duì)于共晶合金凝固,Magnin和Trivedi給出了定向凝固下(α+β)共晶凝固的界面溫度為[9]Te=TE?(φ+1/φ)(K1K2)V=TE?BV,(3)i1/21/21/2其中,B=(φ+1/φ)(KK),1/212K1mCP0e=,(4)DffLαβ?Γsinθ?ΓsinθK=m?+?2δααββ2mfmf??ααββ,(5)m=mmαβm+m,(6)αβC=C?C.(7)000eβα對(duì)于層片共晶,P和δ為P?ff1.661,(8)0.3383()αβδ=1.(9)對(duì)于棒狀共晶,P和δ為P?0.16

6、7(ff),(10)1.25αβδ=2f.(11)α方程(3)~(11)中TE為共晶合金平衡凝固溫度.由于實(shí)際共晶合金凝固時(shí)層片間距并非為理論分析的極小值,為此Magnin等人[9]用常數(shù)φ來(lái)描述實(shí)際共晶合金所選擇的層片間距與理論極值條件下層片間距之間的關(guān)系(λ實(shí)驗(yàn)=φλ理論).如對(duì)Al-SiSCIENCEINCHINASer.EEngineering&MaterialsScience第5期李雙明等:定向凝固下共晶合金中相的競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)481共晶,φ為3.2,而對(duì)Fe-C共晶其值卻為5.4[10].m為平均曲率,0C為共晶合金凝e固的β相成分C0和α相成分C0之差,如方程(6)

7、和(7)所示.參數(shù)P和δ對(duì)于層片和βα棒狀共晶的表達(dá)式分別見(jiàn)方程(8)~(11),其中fα和fβ分別為α和β相的固相體積分?jǐn)?shù).利用方程(1)和(3)可對(duì)共晶相圖中α相、β相和(α+β)共晶的凝固界面溫度進(jìn)行計(jì)算,通過(guò)比較它們凝固界面溫度的高低,來(lái)確定領(lǐng)先相(凝固界面溫度最高的相)、非領(lǐng)先相和相的析出次序,以及最終凝固的組織.1.1共晶相圖中α相液相延長(zhǎng)線處于共晶耦合生長(zhǎng)區(qū)圖1的左邊是一類共晶合金相圖,其中α液相延長(zhǎng)線處于共晶耦合生長(zhǎng)區(qū),右邊為成分C0共晶合金中α相、β相和(α+β)共晶凝固界面溫度隨生長(zhǎng)速率變化的示

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