ni80b20深过冷凝固中的相竞争机制研究

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1、《铸造技术~05／2010胡啸等：Ni。Bz。深过冷凝固中的相竞争机制研究于上述分析忽略了瞬态效应对形核过程的影响。经典形核理论假设在形核过程中液相原子扩数速度足够快进而能保证晶核的稳态生长，但在深过冷熔体中，随过冷度增大液态原子的扩散速度大大降低，稳态生长条件不满足，因此形核过程应考虑瞬态效应。3．1．2瞬态形核理论Shao等n对经典形核理论进行了修正，考虑了过冷熔体中扩散系数与粘度的耦合关系，提出了瞬态20【)形核理论。瞬态形核理论包含了孕育时间对过冷熔体图2Ni＆o132。合金在过冷度为120K下的XRD衍射图谱中两相竞争形核的影响，即当过冷熔体中晶核的孕育Fig．2X-raypow

2、derdiffractionpatternof120KundercooledNi80B20alloy时间t小于临界孕育时间r时，熔体不可能形核。过冷熔体的临界孕育时间r与熔体过冷度的关系如zSG一厂()(2)下引：式中d——固～液界面能；7．2Rg，()口丁⋯一一1二：，()——异质形核因子。为了确定不同固相与液相间的界面能，采用式中R为气体常数(8．3146J·toolK)，d为固Spaepen[的负熵模型：相的平均原子直径，S为固相的摩尔熔化熵，T(一Tm)为无量纲温度，而为合金的熔点，为熔体⋯㈤温度。△T(=1一T)为无量纲过冷度，D为过冷熔体式中，a为与结构相关的因子；AS为合金熔

3、化中的扩散系数，为固／液两相的润湿角，可通过．厂()熵；N为Avogadro常数；为合金摩尔体积。的值计算得到，a为原子跃迁距离，XⅢ是合金的有效联立式(1)～(3)，并分别代入Ni(a)相和Ni3B相成分。的热力学参数，即可计算任一温度下过冷熔体中的稳根据Stokes—Einstein空位理论，熔体的扩散系数态形核率。图3所示是Ni。。B2。合金熔体中Ni(a)相和D与粘度叩的关系可表达为：Ni。B相的稳态形核率与合金温度之间的关系。可以丁一6㈣I看出，过冷度较小时，Ni(a)和Ni。B的形核率非常小，式中d．为液相中的原子间距。由于合金熔化时而过冷度增大到某一临界过冷度时，Ni。B的形

4、核率迅体积变化不大，因此可用固态中原子间距代替，即d===速增大，Ni。B作为初生相从熔体中析出，该临界过冷d，。而熔体粘度又与熔体温度密切相关，即可一度约为250K左右。这与J．AJAOc的研究结果一10一expE3．34／(T／T)]。其中丁为玻璃形成温度。致，即在Ni-B合金中，冷却速率为5℃·min．。，B摩联立公式(4)和(5)，并将表1中Ni(a)相与Ni。B尔含量不大于20的情况下，Ni(a)相在过冷度极小相的有关参数代入，其余的热力学参数由二元合金的时即可形核，而Ni。B的形核温度至少比Ni(a)低240平衡及亚稳相图获得。由此可以计算得到过冷Ni。。K。上述结果显然与本实

5、验不吻合。究其原因，是由B。合金中Ni(a)相与Ni3B相的形核孕育时间与过冷度之间的关系，如图4所示。可以看出，虽然两个相形核孕育时间￡非常短暂，但随着熔体温度的增加，形核孕育时间t的差异越来越大，这也说明了过冷熔体的扩散系数D与粘度叩在熔体相选择过程中不容忽视，而t的差异正是其影响的最终反映。显然，图4中存在一个￡。，一t。的临界过冷度约为185K，即当熔体温度／KX10过冷度大于185K时，Ni。B从过冷熔体中形核，这与图3过冷Nie。Bz。合金形核率与温度之间的关系实验数据180K非常接近。Fig．3Steady-statenucleationrateasafunctionofte

6、mperature3．2生长过程forNi(a)phaseandNi3BphaseinundercooledNi8o当熔体过冷到一定过冷度时，固相的结晶核心形B2omelt成，液相原子不断向固相沉积，固液界面向液相快速推Vo1．31No．5F0UNDRYTECHNOL0GYMay2010快。低的形核率、快的生长速度导致初生相数量较少，fo一×髓赠且较易呈现枝晶形态；随过冷度增大，初生相数量逐渐增多。当△T>180K时，Ni。B相的形核孕育时间开始小于Ni(a)的形核孕育时间(图4)，初生相从Ni(a)转变成Ni。B。与此同时，形核率快速增加，但Ni。B的生长速度相比Ni(a)较慢。高的形核

7、率和低的生长速度使初生Ni。B相细小且易于呈现球状；随过冷度增大，初生相数量逐渐增多但尺寸降低。综上所述，Ni。。B。合金的凝固组织形态是由形核形核孕育时间／s和生长共同控制的。形核很大程度上决定初生相Ni图4过冷Ni。。B2。合金中Ni(a)相与Ni。B相形核孕育时间(cc)和Ni。B的形成，而生长很大程度上决定初生相的与过冷度之间的关系Fig．4IncubationtimeofNi(a)phaseandNi3Bpha