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《共晶合金的凝固过程涉及到两个固相的竞争形核及协同生长.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、快速凝固Co-Sn合金的组织形态与电学特性共晶合金的凝固过程涉及到两个固相的竞争形核及协同生长,受冷却速率、过冷度、形核条件和重力水平等因素的制约.在平衡凝固条件下,Co-Sn共晶合金的凝固组织通常为层片状共晶,而在非常规凝固条件下,两相协同生长模式被打破,呈现出竞争生长的态势,从而导致组织形貌的显著变化[1~6]，譬如,随着过冷度的增大,凝固组织由规则层片共晶向不规则共晶转变[4]。急冷技术可使液态金属获得较大的冷却速率,实现瞬间形核、生长,从而获得组织精细、偏析程度小的复相微晶材料及亚稳相结
2、构.显著细化的组织和特异的相结构必然引起合金物理化学性能的变化.晶体取向、缺陷、晶界及表面状态对合金的电阻率有着显著的影响[7~12].因此,快速凝固组织形成规律和合金电学特性的研究是材料科学和凝聚态物理共同关注的重要研究课题之一.本文采用单辊实验技术研究了亚共晶和共晶Co-Sn合金的急冷快速凝固行为和组织特征,实验测试了合金条带的电阻率,并对合金偏析行为、组织形态及电阻率与冷却速率之间的相关规律进行了理论探索.1实验方法Co-20%Sn(质量分数)和Co-34.2%Sn合金均用高纯Co(99.
3、999%)和Sn(99.999%)在超高真空电弧炉中熔配而成.样品质量约为1.2克.实验之前,把表面洁净的样品放入底部开有Ø0.8mm×10mm喷嘴的Ø16mm×150mm石英试管中,再将试管置入配有真空罩的辊轮顶部,抽真空至1.2×10−2Pa后反充高纯He(99.995%)气至1个大气压.反复“抽真空－充He气”3~5次之后,使用高频感应熔炼设备加热样品,使其熔化并过热100K以上,保温3~5min后,向石英试管中吹入高压Ar气.液态合金在高压下呈连续液流喷射到高速旋转的Cu辊表面,急冷凝固
4、成合金条带.实验过程中辊面线速度控制在20~52m/s之间.合金条带经镶嵌、抛光和浸蚀处理后,用ARMRAY-1000B型扫描电镜(SEM)分析合金的组织形态,使用能谱仪(EDS)分析合金相微区化学成分.所用浸蚀剂为“30mL王水+5gCuCl2+30mLH2O”溶液.采用经典的SZ-82型数字式四探针测试仪测定合金条带的电阻率.2实验结果与分析讨论合金成分在Co-Sn二元合金相图[4]中的位置如图1中的箭头所示.在平衡凝固条件下,当熔体温度下降到1588K时,Co-20%Sn合金首先析出初生相
5、αCo枝晶,在到达共晶温度时αCo枝晶析出量为51.3%.处于枝晶间隙的剩余液体在1385K下发生共晶转变,形成由αCo和γCo3Sn相构成的含量为48.7%的规则层片共晶组织.Co-34.2%Sn合金则全部形成层片状两相共晶组织.在共晶转变过程中,αCo相和γCo3Sn相按比例协同生长,两相质量分数分别为40.2%和59.8%.然而,在急冷快速凝固条件下,两相形核与生长条件发生了变化,因而形成与平衡凝固组织形态迥异的快速凝固组织.图1两种合金成分在相图中的位置2.1快速凝固组织特征2.1.1C
6、o-20%Sn亚共晶合金的组织形态Co-20%Sn亚共晶合金在不同辊速下的快速凝固组织如图2所示.图中黑色相为αCo,灰白色相为γCo3Sn.初生αCo相按枝晶方式生长,γCo3Sn相分布其间.图2(a)是辊速为20m/s的快速凝固组织.图中,条带组织沿厚度方向明显分为三个晶区:近辊面激冷等轴晶区(Ⅰ区)、中部柱状晶区(Ⅱ区)和自由面粗大等轴晶区(Ⅲ区).Ⅰ区金属熔体因受铜辊的激冷作用最强,形核率大,凝固组织以均匀细小的等轴晶为特征.Ⅱ区因受辊轮的单向吸热,在离开辊面的方向上形成较大的温度梯度,
7、αCo的生长形态以定向生长的细长柱状晶为特征.由于Ⅰ区和Ⅱ区凝固层热阻的影响,Ⅲ区的传热作用减弱,温度梯度较中部有所减小,该区中初生αCo枝晶的生长方向具有明显的随机性,凝固组织以粗大的等轴晶为特征.图2(b)为辊速Vr=36m/s的凝固组织.从图中可以看出,等轴晶区扩大,而柱状晶区明显缩小.当Vr=52m/s时柱状晶区完全消失,αCo相全部转变为细小的等轴晶组织如图2(c)示.三个晶区的厚度D随辊速的变化趋势如图3所示.2.1.2Co-34.2%Sn共晶合金的组织形态图4为Co-34.2%Sn
8、共晶合金在不同辊速下的快速凝固组织形态.从中可知,在Vr=20~52m/s的范围内,合金均获得了全部的不规则共晶组织.同样,由于受Cu辊较大的急冷作用,近辊面晶区组织细化程度非常显著.另外,随着冷速的增大,不规则共晶组织得到了显著地细化,并且在条带厚度方向上的组织均匀性也获得了明显地改善.2.1.3冷却速率的理论计算合金条带组织的形成规律与液态合金的冷却速率密切相关.为了建立冷却速率与辊速之间的内在联系,将Navier-Stokes方程、连续方程和热传导方程相耦合,对温度场和冷却速率进行了理论计
