電流對Al/Cd偶液-液界面及凝固組織的影響

徐前剛,王士付,李明佳

(沈陽航空航天大學 材料科學與工程學院，沈陽 110136)

難混溶合金是一類存在液相分離特性的合金，具有很多獨特的物化性能和工藝性能。目前已知的含有液相不混溶區(qū)的合金達到500多種[1]，但是該類合金中兩相密度差通常較大，往往造成嚴重的重力偏析，限制了該類合金的開發(fā)和應用，如果通過適當?shù)姆椒ㄊ股贁?shù)相彌散分布，許多種難混溶合金所表現(xiàn)出來的特殊的物理和力學性能使其在各方面都能夠有良好的應用前景[2]。Al-Cd合金作為典型的偏晶合金，在導磁，導電和耐磨方面有著潛在的應用但目前對Al-Cd合金的研究相對較少。

在材料制備和加工過程中施加電場會明顯影響材料微觀組織和使用性能[3]。Misra[4]對Pb-15%Sb-7%Sn合金通以直流電流，并使其發(fā)生凝固，Misra發(fā)現(xiàn)，在電場作用下凝固的顯微組織被顯著細化，相分布比較均勻。近期對一些有關(guān)反應偶的研究也表明,除了反應偶的化學組成、反應溫度及時間外,對反應偶施加電流也會對界面反應產(chǎn)生重要影響[5]。Zhao等人研究發(fā)現(xiàn)直流電能非常明顯促進Ni在熔體Al中的溶解[6]。Chen等人研究了直流電對Zn/Ni以及Bi/Ni等固態(tài)反應偶界面反應的影響,發(fā)現(xiàn)不同溫度下電流對Zn/Ni界面反應沒有明顯影響,而在較低溫度下電流卻會明顯促進Bi/Ni界面反應層的生長[7]。然而目前電流對金屬液/液界面偶的研究較少。

本研究選擇Al-Cd難混溶合金體系，以Al/Cd偶為研究對象，在對比研究未施加電流和施加電流Al/Cd偶界面區(qū)域凝固組織的基礎(chǔ)上，分析了電流對Al/Cd偶液-液界面熔合及界面凝固組織的影響。

1 實驗方法

實驗材料采用Φ20 mm×30 mm純鋁塊(w%>99.7%)和Φ20 mm×10 mm分析純鎘塊(w%>99.5%)，保證實驗中鋁和鎘的量滿足體積比3∶1。在實驗之前對鋁塊和鎘塊表面進行處理防止表面產(chǎn)生的氧化膜對實驗形成干擾。將處理好的鋁塊和鎘塊放入Φ20 mm×40 mm的石墨坩堝中，實驗裝置圖如圖1所示。然后把坩堝放入加熱爐中進行加熱，加熱溫度到700 ℃進行保溫(T=15 min、30 min、45 min)。達到保溫時間后把試樣從加熱爐中平緩取出進行空冷。在保溫和凝固過程中施加直流電流(I=0、0.5、1.0、1.5A)。把得到的試樣用線切割機在電極處沿著縱向拋開，對試樣進行金相磨制和拋光制光滑界面。通過金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡對界面進行分析。

圖1 Al/Cd液-液界面反應實驗裝置圖

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 未施加電流時Al/Cd偶的熔合及凝固組織

圖2是未施加電流時三種不同保溫時間作用下試樣的金相組織。從圖2中可以看出凝固組織中存在著明顯界面，界面的上半部分灰色基體的是鋁基體，界面下半部分白色基體是鎘基體。在鋁和鎘基體上可以看到有顆粒狀的組織存在。圖3是圖2試樣的背散射掃描圖像，通過能譜分析可以得到左半部分比較亮的為鎘基體，右半部分黑色基體為鋁基體。鋁基體上有顆粒狀組織的成分為鎘，鎘基體中顆粒狀組織成分為鋁。從圖2和圖3中可以看出隨著保溫時間的延長在鎘基體上析出鋁的量一定程度的增加，顆粒狀鋁組織尺寸明顯增大，在鋁基體上顆粒狀的鎘隨著保溫時間的延長也有相同的變化。

圖2 未施加電流Al/Cd金相組織

圖3 未施加電流Al/Cd背散射掃描圖像

為了對Al/Cd偶的熔合和凝固進一步分析我們引入了Al-Cd相圖，如圖4所示。從Al-Cd相圖中我們可以看出在室溫條件下鋁和鎘之間幾乎沒有溶解度，都是以單組元形態(tài)存在，隨著溫度升高鋁鎘之間會有一定的溶解度，并且溫度越高互溶度越大，當達到一定溫度時會形成均一的液相。本次實驗是在700 ℃下進行的，鋁和鎘的體積比為3∶1。根據(jù)本實驗的實驗條件從相圖中可以看出在平衡狀態(tài)下Al-Cd合金會以兩個液態(tài)相分層存在，即L1相和L2相。圖5是Al/Cd液-液擴散示意圖，在進行相互擴散之前，鋁和鎘都是單獨存在有著明顯的界面，如圖5(a)所示。隨著保溫時間的延長，在濃度梯度的推動下鋁向著鎘基體中擴散，在靠近界面的鎘基體處鋁溶解到鎘中形成富鎘的L2相，同時在濃度梯度的驅(qū)動下鎘也會向著鋁基體中運動，在靠近界面的鋁基體處鎘溶解到鋁中形成富鋁的L1相，隨著保溫時間的延長，L1相和L2相的區(qū)域越來越大，純鋁和純鎘的區(qū)域越來越小,如圖5(b)和圖5(c)所示。在一定保溫時間后達到平衡，由于L1和L2之間存在著密度差，所示以L1和L2會分層存在，如圖5(d)所示。從Al/Cd液-液擴散示意圖中可以看出在達到平衡之前鋁和鎘相互擴散的量隨著保溫時間的延長而增加。從Al-Cd相圖可以看出在擴散過程中L1/L2界面不是固定不變的，隨著擴散的進行界面會向下運動。由于本實驗采用保溫時間較短所以沒有達到圖5(d)所示的兩個液相平衡。圖6是本實驗Al-Cd合金凝固示意圖，圖6(a)是達到保溫時間時Al-Cd合金凝固的初始狀態(tài)，由液態(tài)Al相、L1相、L2相、液態(tài)Cd相四相組成。當溫度降低到鋁的熔點時，上部分的鋁將先凝固，如圖6(b)所示。圖6(c)所示的是當溫度降低到650 ℃時，發(fā)生偏晶反應，L1相將會分解成固體Al和L2相。隨著溫度的降低，L2相對Al的溶解度也會減少，在L2相中也會有少數(shù)的鋁析出。由于L2相密度較大在靠近界面處會產(chǎn)生一定量的沉積，使得L1/L2的界面會在凝固過程中上升。界面下半部分L2中析出的Al由于密度較小，將會上浮到界面聚集。從而形成了本實驗在Cd基體中顆粒狀Al在 Al/Cd界面處富集的原因。當達到共晶溫度時，發(fā)生偏晶反應，L2相將會析出固體Al和Cd，從而形成圖6(d)的分布形態(tài)。在凝固過程中兩相間的比重差會導致Stokes沉積同時在溫度梯度或濃度梯度作用下會形成Marangoni遷移，從而形成了圖2和圖3中顆粒狀組織。由于本實驗采用的保溫時間沒有達到平衡狀態(tài)，所以保溫時間的延長促進了Al和Cd之間相互擴散，同時也促進了顆粒狀凝固組織尺寸的增大。

圖4 Al-Cd相圖

圖5 Al/Cd偶液-液擴散示意圖

2.2 電流對Al/Cd偶界面熔合及凝固組織的影響

圖7是在保溫時間為45 min不同電流作用下的凝固組織。通過對圖7中施加電流與不施加電流進行比較可以看出，電流的加入使得鋁基體上析出的鎘量有明顯增加，平均尺寸增大，鎘基體上鋁也有相同的變化。并且隨著電流的增大變化越明顯。

圖6 Al/Cd凝固示意圖

圖7 T=45 min Al/Cd金相組織

從上文中Al/Cd液-液擴散和凝固示意圖可以看出Al/ Cd界面組織形態(tài)與兩種物質(zhì)間相互溶解度、相互擴散速率、凝固時間和對流有著密切的關(guān)系。許多實驗已經(jīng)表明[8-10]，電流可以引起金屬凝固組織發(fā)生顯著的變化。電流加入對凝固過程過冷度、電遷移效應、組元間固溶度及對流等方面都有一定的影響。本實驗中在液-液狀態(tài)施加電流會產(chǎn)生電遷移效應，促進了鋁和鎘之間的相互擴散，增加了相互擴散速率，改變了液-液界面前沿的濃度場。產(chǎn)生的電遷移效應更加促進了擴散過程中同種組元之間的的熔合。電流所產(chǎn)生的熔體對流對Al和Cd液-液之間的相互擴散和擴散過程中同種組元之間的熔合也有較大的影響，這種對流主要兩個來源，一是所受的洛倫茲力，電流在熔體中必然會沿截面形成一定的分布狀態(tài)，在直流電流下成近似均勻分布，這樣任意位置傳導電流的熔體均處于其他部位電流所產(chǎn)生的磁場之中，因此該處熔體必然受到洛倫茲力的作用而發(fā)生運動，在整個熔體體積內(nèi)產(chǎn)生宏觀的對流；二是由于溶質(zhì)在液相中的分布梯度也可以造成對流。電流的加入也會促進Al和Cd之間相互溶解度的增加，增加了Al和Cd相互擴散速率，生成的L1和L2相所含有的溶質(zhì)的量會增加，從而在相同保溫時間時電流的加入會使Al/Cd相互擴散的量會增加。在凝固過程中施加改變L1和L2相的過冷度，使凝固溫度降低，凝固時間增加，促進了兩基體中析出顆粒狀組織之間的融合。從上面電流對Al/Cd界面的作用可以看出在液-液狀態(tài)施加電流增加了Al/Cd液-液相互擴散速率和Al-Cd之間的固溶度。在凝固過程中施加電流增加了L1相和L2過冷度使凝固時間延長，從而形成了圖7中變化的凝固組織。

3 結(jié)論

(1)保溫時間的延長有助于Al-Cd合金兩個平衡液相的形成。在達到平衡之前隨著保溫時間的延長Al/Cd偶界面Al基體一側(cè)析出顆粒狀Cd的量增加，顆粒狀Cd平均尺寸增大。在Cd基體一側(cè)析出顆粒狀Al，隨著時間的增加也有相同的變化。

(2)施加電流與未施加電流相比較在Cd基體中析出顆粒狀Al和Al基體中析出顆粒狀Cd尺寸和量都有明顯增加。并且兩個基體中析出顆粒組織尺寸都隨著電流的增加而增大。

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