偏晶合金凝固研究进展

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1、第33卷第8期稀有金属材料与工程Vol.33,No.82004年8月RAREMETALMATERIALSANDENGINEERINGAugust2004偏晶合金凝固研究进展1121郑红星，马伟增，郭学锋，李建国(1.上海交通大学，上海200030)(2.西安理工大学，西安710048)摘要：偏晶类合金作为1类重要的工程实用合金，以其独特的组织和特殊的性能，被材料学界争相研究。本文概述了偏晶类合金在微重力环境、定向凝固、深过冷和急冷快速凝固4方面的最新凝固理论研究进展。并指出了今后的研究方向。关键词：偏晶合金；凝固；相分离中图法分类号：TG14文献

2、标识码：A文章编号：1002-185X(2004)08-0893-04期的实验并没有显示出微重力环境的任何优点。由此1引言可以推断，偏晶合金相分离并非单纯重力场作用的结偏晶合金在其平衡相图中存在一液相不混溶区，果，凝固过程中其它场效应改变第二相生长动力学，当合金熔体在平衡条件下进入该区时，两液相在重力有可能在扮演着更为重要的角色。[5]作用下，由于密度差别较大而导致相分离，甚至形成Lancy在微重力条件下对Zn-Pb合金的研究发[6]分层组织，在地面条件下常规铸造技术根本无法制备现，试样中Zn和Pb两相分层。Lohberg对Al-In合[1]出具

3、有实用价值的偏晶合金。近年来，偏晶合金以金的实验同样是分层组织，认为是In对所用的Al2O3[2][7]其独特的组织和特殊的性能，被材料学界争相研究，材质坩埚的润湿性较好所致。Potard的研究也得出了[8]如Al-Pb，Al-Bi等合金，利用第二相Pb，Bi粒子的同样的结论。Gells等排除了组元对坩埚材料的润湿[4]柔顺性和减摩性，可作为优良的自润滑轴瓦材料；结性影响后，得到的仍是分层组织。Fredriksson等对构精细弥散的Cu-Pb合金具有超导性能，Bi-Ga合金Zn-Bi合金研究后，认为粒子的粗化是由残余重力及具有半导体性能等。但是，

4、偏晶合金凝固过程包括溶Marangoni对流导致的液滴迁移的结果。目前的试验质分配以及热力学和动力学过程尚不清楚、更无法通结果已足以说明第二相液滴的Marangoni对流是微重过控制凝固过程获得成分均匀、结构精细的偏晶合金。力环境下导致相分离的重要因素。因此，深入研究其凝固行为具有重要的理论价值和工为揭示空间微重力条件下偏晶合金的凝固特性，程实用价值。本文将着重介绍该类合金在微重力、定中国也曾分别于1990年及1996年两次利用返回式科向凝固、急冷和深过冷快速凝固4个方面的最新研究学试验卫星，研究了Al-Bi偏晶合金的空间凝固行为。[9]进展。张

5、修睦等结合流体物理理论和两次卫星搭载的实验结果，分析认为在空间微重力环境下，偏晶合金中第2偏晶合金研究现状二相粒子的Marangoni迁移速率小于固液界面移动速2.1微重力环境下的研究现状率时，第二相液滴将被凝固界面捕获，可以得到均匀早期认为，消除重力场效应，就可以制备出均质的偏晶合金；反之，则第二相液滴将在界面张力梯度偏晶合金。基于这一考虑，科学工作者早在20世纪驱动对流环境中作Marangoni迁移并聚积粗化。此外70年代早期即在Apollo-14和Apollo-16及Skylab上还提出了1个新的偏晶合金制备思路：引入与重力方[3]开展了微

6、重力环境下偏晶合金凝固行为的研究工作。向相反的液滴Marangoni迁移运动，用以克服重力效欧洲也利用TEXUS火箭升空时研究了Zn-Bi，Zn-Pb应，即可获得均质偏晶合金。目前该思路已成功运用[4][10]等偏晶合金微重力环境下的相分离规律。但这些早于正在研究的偏晶合金“控制铸造”技术中。收到初稿日期：2003-01-21；收到修改稿日期：2003-03-20基金项目：国家自然科学基金（50274051）和国家杰出青年科学基金（50125101）资助作者简介：郑红星，男，1978年生，博士研究生，上海市华山路1954号，上海交通大学108信箱

7、，上海200030，电话：021-62932569·894·稀有金属材料与工程33卷此外还有许多利用正交电磁场模拟微重力环境的型。计算结果表明：在大的凝固速度条件下，凝固界研究。其基本原理是：在电磁场作用下，两组元电导面前沿存在成分过冷区，液-液相分离在此区域内进率不同，不同组元内形成的电磁力密度不同，根据这行；温度梯度恒定时，凝固速度越快，第二相液滴的一特性，寻找一合适电磁场参数，使得熔体中两相的形核速率越大，液滴的数量密度越高，平均半径越小；自身重力密度与其所受的电磁力密度矢量和相等，此而且凝固界面前沿液滴的平均半径与凝固速度之间存时电磁力完

8、全可以抵消两相密度差，使得熔体处于与在着指数关系。[11]空间微重力相似的状态。陈焕铭利用电磁模拟装置2.3急冷快速凝固的研究现状制备A