定向凝固下共晶合金中相的竞争生长

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1、中国科学E辑工程科学材料科学2005,35(5):479~489479定向凝固下共晶合金中相的竞争生长*李双明马伯乐李晓历刘林傅恒志(西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安710072)摘要通过讨论定向凝固下共晶合金中各相的凝固界面温度,获得了共晶组织凝固的速率区间.分析了有初生相下不同凝固速率中共晶凝固组织对应的固相成分,给出了共晶合金出现共晶晕圈组织和同时存在α相、β相和(α+β)共晶三者竞争生长的凝固条件.对Sn-Pb和Al-Si共晶合金的计算结果表明,Sn-Pb共晶合金定向凝固下不存在α相、β相和(α+β)共晶三者同时竞争生长的凝固组织,也不存在共晶晕圈组织,但A

2、l-Si共晶合金中这两类组织都有可能存在,数值计算结果与实验结果基本吻合.关键词定向凝固共晶合金竞争生长定向凝固技术不仅可用于凝固基础理论研究,而且还能直接生产出如航空发动机单晶涡轮叶片等高性能的产品.在共晶合金领域,利用定向凝固技术制备的自生复合材料与单相合金相比,因其组织细化,性能设计更具有广泛性而备受关注[1~4].但在平衡凝固下,只有共晶点成分的共晶合金才能获得共晶自生复合材料,这一点极大地限制了其应用和发展.为了扩大其应用范围,对非共晶点成分的共晶合金进行了大量的凝固研究,实验发现在凝固速度很低下也能获得共晶自生复合材料[5],但由于效率低,所以很难在生产中加以应

3、用.如果凝固速率较大,进入非耦合共生区获得的凝固组织往往是粗大的初生α相加细小(α+β)共晶的混合组织,有些情况下组织中还同时存在单独的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)共晶三者的竞争生长,凝固组织比较复杂较难控制.本文通过分析和比较共晶合金中α相、β相和(α+β)共晶三者的凝固界面生长温度,来讨论它们之间的竞争生长,并相应地给出不同凝固组织所对应的凝固参数,以更准确地控制定向凝固下共晶合金凝固组织及其形态.2004-08-04收稿,2005-02-23收修改稿*国家自然科学基金(批准号:50395102,50401014)、航空科学基金(批

4、准号:01G53038)以及西北工业大学英才计划资助项目SCIENCEINCHINASer.EEngineering&MaterialsScience480中国科学E辑工程科学材料科学第35卷1共晶合金中相的竞争生长定向凝固中给定成分和温度梯度下单相合金的界面生长温度与凝固速率之间的关系为[8]GDTTAVi=j−−,j=α,β.(1)LL1/2jLjVj方程(1)中TL为j相成分为C0的液相线温度,GL和DL为液相温度梯度和扩散系数,V为凝固速率,参数Aj的表达式为[8]Aj1/2⎡8ΓjmjC(1kj)⎤−=⎢−⎥0D⎣⎦L,j=α,β,(2)其中,Γj,mj和kj分别

5、为j相Gibbs-Thomson系数、液相线斜率和平衡溶质分布系数.对于共晶合金凝固,Magnin和Trivedi给出了定向凝固下(α+β)共晶凝固的界面温度为[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对于层片共晶,P和δ为P≅ff1.661,(8)0.3383()αβδ=1.(9)对于棒状共晶,P和δ为P≅0.16

6、7(ff),(10)1.25αβδ=2f.(11)α方程(3)~(11)中TE为共晶合金平衡凝固温度.由于实际共晶合金凝固时层片间距并非为理论分析的极小值,为此Magnin等人[9]用常数φ来描述实际共晶合金所选择的层片间距与理论极值条件下层片间距之间的关系(λ实验=φλ理论).如对Al-SiSCIENCEINCHINASer.EEngineering&MaterialsScience第5期李双明等:定向凝固下共晶合金中相的竞争生长481共晶,φ为3.2,而对Fe-C共晶其值却为5.4[10].m为平均曲率,0C为共晶合金凝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.参数P和δ对于层片和βα棒状共晶的表达式分别见方程(8)~(11),其中fα和fβ分别为α和β相的固相体积分数.利用方程(1)和(3)可对共晶相图中α相、β相和(α+β)共晶的凝固界面温度进行计算,通过比较它们凝固界面温度的高低,来确定领先相(凝固界面温度最高的相)、非领先相和相的析出次序,以及最终凝固的组织.1.1共晶相图中α相液相延长线处于共晶耦合生长区图1的左边是一类共晶合金相图,其中α液相延长线处于共晶耦合生长区,右边为成分C0共晶合金中α相、β相和(α+β)共晶凝固界面温度随生长速率变化的示