超重力場凝固對Cu-1.6%Cr共晶合金組織的影響

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(1.武漢科技大學材料與冶金學院，省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北 武漢 430081； 2.武漢大學物理工程學院，湖北 武漢 430072)

超重力場凝固對Cu-1.6%Cr共晶合金組織的影響

熊梅1，甘章華1，梁宇1，馮繼軍2，盧志紅1，劉靜1

(1.武漢科技大學材料與冶金學院，省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北武漢430081；2.武漢大學物理工程學院，湖北武漢430072)

本實驗分別在普通重力場和4230g超重力場下制備了Cu98.4Cr1.6合金的凝固樣品，研究了重力場對Cu98.4Cr1.6合金棒狀共晶尺寸和宏觀偏析情況的影響。結果表明：與普通重力場的凝固組織相比，當Cu98.4Cr1.6合金棒狀共晶在4230g超重力場下凝固時，棒狀共晶組織得到了明顯的細化，其直徑由250～350nm降至100～200nm。同時，Cu98.4Cr1.6共晶合金沿超重力場方向的硬度和成分分布基本一致，未出現(xiàn)明顯的宏觀偏析。

超重力場； Cu98.4Cr1.6合金； 共晶組織； 晶粒細化； 宏觀偏析

1 引 言

隨著材料科學技術的高速發(fā)展，為獲得性能更加優(yōu)異的材料，越來越多的物理場被應用到材料的凝固研究中，衍生出如定向凝固[1-2]、電磁場凝固[3]、超聲波凝固[4]等研究方向。

重力場對金屬凝固具有顯著的影響[5-8]。按照與地球重力大小的對比，重力場可以分為微重力場和超重力場，而在不同重力場下凝固也分為微重力場凝固[5]及超重力場凝固[8]兩大類。

重力場對凝固組織的影響主要體現(xiàn)在晶粒大小和偏析等方面。在微重力場下，部分合金出現(xiàn)了晶粒細化的現(xiàn)象，也有部分合金出現(xiàn)了晶粒變粗的現(xiàn)象。Larson[5,9]等的研究指出MnBi-Mn在微重力場下凝固時，其纖維狀共晶的纖維間距變小。Favier[5,10]等的研究中得到微重力場下凝固時，Al-Al3Ni的纖維狀共晶的纖維間距變大，而Al-Al2Cu的層片狀共晶在微重力場下凝固的片層間距與普通凝固的無明顯差異。在微重力條件下熔體中重力引起的沉降和浮力對流基本消除，擴散和界面張力起主導作用，因此一般認為微重力場下容易獲得均勻無偏析合金。

目前，較多的研究都集中在微重力場凝固，而對于超重力場對合金的組織及性能的影響，有很多方面還有待研究。例如，Corbett[11]等研究了Pb-50Sn合金在超重力場下定向生長的微觀結構，發(fā)現(xiàn)其二次枝晶間距沒有大的改變，但一次枝晶間距隨重力水平的增加由185μm減小到約145μm。Müller[12]等研究了在1～30g超重力場下變化時浮力對流對InSb合金溶質(zhì)分布以及熔體凝固組織的影響，得出當達到一定的超重力水平時，InSb晶體中的生長條紋被有效抑制。

Cu-Cr合金具有高的導電性和強度[13-14]，是一種具有優(yōu)良力學性能和導電性能的功能材料。本文以Cu98.4Cr1.6合金為對象，分別在普通重力場和4230g超重力場下制備了Cu98.4Cr1.6合金的凝固試樣，研究了重力場對Cu98.4Cr1.6合金棒狀共晶尺寸和宏觀偏析的影響。

2 實 驗

本實驗利用超重力機通過旋轉離心的方法實現(xiàn)了4230g的超重力場。

超重力機主要由電機、旋轉臂、旋轉軸以及變頻器組成。超重力場的計算公式如式(1)所示：

(1)

其中:

(2)

式(1)中，g為地球重力場加速度(m/s2)；r為旋轉軸中心到樣品的距離(m)；n′為旋轉軸的轉速(r/min)。式(2)中，n為電機的轉速(r/min)。

由于超重力場很大，則地球重力場的影響可以忽略不計，G′≈g′。本實驗中超重力場的大小為G′=4230g。

實驗使用的原料為純銅和純鉻，所選合金的成分為Cu98.4Cr1.6合金。將上述原料配制母合金，再將母合金裝入石英管中，放入高頻感應加熱爐的感應線圈中重熔，使熔融態(tài)合金分別在普通重力場和4230g的超重力場下凝固，得到Φ10mm×15mm的鑄錠試樣。利用線切割機將凝固后的試樣沿著超重力場方向進行切割，經(jīng)過鑲樣、粗磨、精磨、機械拋光后，使用15%H3PO4+30%HNO3+55% CH3COOH的混合溶液進行腐蝕，腐蝕時間10s左右，清洗吹干后得到金相樣品。采用Nova 400型掃描電子顯微鏡對樣品的微觀組織形貌及成分進行了觀察測試和分析，并用HV-1000B型維氏硬度計(載荷為200gf)，沿超重力場方向對樣品的硬度分布進行了檢測。

3 實驗結果

如圖1所示，沿重力場方向，從樣品的頂部至底部，選擇了7個區(qū)域進行面掃描，每個區(qū)域的尺寸為1.5mm×0.2mm，間隔為1mm，得到這7個區(qū)域的Cr含量分布圖，并對該7個區(qū)域分別進行了硬度測試，得到了這7個區(qū)域的硬度分布。由圖1可知，每個區(qū)域的Cr含量均在4%左右，HV硬度值都約為80左右。圖2(a)所示為Cu98.4Cr1.6合金在4230g超重力場下凝固時沿超重力場方向的微觀組織形貌，圖1中所指的7個區(qū)域的組織均與圖2(a)類似，先共晶的大小與形態(tài)并無明顯差異。由Cr含量分布、硬度分布及合金的顯微組織可知，Cu98.4Cr1.6合金在4230g超重力場凝固時，沿超重力場方向不存在明顯的宏觀偏析。

圖1 Cu98.4Cr1.6合金在4230g超重力場下凝固時沿超重力場方向的Cr含量及硬度分布圖Fig.1 Cr content and hardness distributions of the Cu98.4Cr1.6alloy solidified under the super gravity field across the seven regions

由圖2(a)可知，Cu98.4Cr1.6合金在4230g超重力場下凝固的組織是由初生相與共晶組織組成。圖2(b)為圖2(a)的局部放大圖，由圖可知，共晶組織排列十分密集整齊。圖2(c)是共晶組織的細節(jié)放大圖，從圖中可知，共晶組織呈棒狀，并且嵌在基體中，如圖2(d)所示，該棒狀共晶十分細小。

圖2 Cu98.4Cr1.6合金沿超重力場方向的顯微組織圖Fig.2 Microstructures of the Cu98.4Cr1.6alloy solidified under 4230g super gravity field

采用EDS對棒狀共晶和基體進行了面掃描分析，結果如圖3所示。由圖3可知，棒狀共晶為富Cr相，而基體為富Cu相。

圖4(c)、4(d)為Cu98.4Cr1.6合金在4230g超重力場下凝固所得的共晶組織，為了便于對照，也給出了Cu98.4Cr1.6合金在普通重力場下凝固所得的共晶組織，如圖4(a)、4(b)所示。

由圖4可見，不同重力場下凝固的Cu98.4Cr1.6合金的共晶組織均為棒狀共晶。由圖4(a)可得，在普通重力場下凝固的富Cr棒較短，由圖4(b)可知該富Cr棒的直徑為250～350nm。由圖4(c)可見，在超重力條件下，超重力凝固的富Cr棒非常細長，長徑比很大，且排列比較整齊；由圖4(d)可知該富Cr棒的直徑僅為100～200nm。相對于普通重力場下的共晶組織，超重力凝固的共晶組織得到了明顯的細化。

圖3 Cu98.4Cr1.6合金組織的面掃描圖Fig.3 Composition analysis of the Cu98.4Cr1.6alloy structures

圖4 超重力場對Cu98.4Cr1.6合金凝固的共晶組織的影響 (a)(b)G=1g; (c)(d) G=4230gFig.4 Effect of gravity field on eutectic structures of the Cu98.4Cr1.6alloy; (a)(b)G=1g; (c)(d) G=4230g

4 分析討論

4.1 超重力場對宏觀偏析的影響

單個Cu原子在凝固時受到重力G、浮力Fb和原子間相互作用力Fi。由于Cu的密度大于Cr的密度，因此重力G大于浮力Fb，其合力F與重力場呈正比，促使Cu原子下沉，見式(3)。

(3)

Cu原子半徑為0.157nm，ρcu=8.96g/cm3，ρcr=7.256g/cm3，g′=4230×9.8N/kg，則F=1.145× 10-21N。而金屬液體原子間相互作用力Fi為10-12N量綱[15]?？梢?，即使在4230g的超重力場下，F(xiàn)亦遠小于原子間相互作用力Fi，相差10-9數(shù)量級，因此，超重力還不足以使Cu原子與Cr原子分開。

在已產(chǎn)生先共晶Cu的情況下，我們假設先共晶Cu為球形，半徑r=na0。與單個Cu原子相比，體積增加n3倍，而表面積增加n2倍。亦即F增加n3倍，而原子間相互作用力Fi約增加n2倍。因此F/Fi增加n倍。由圖1可知，取r=50μm，計算得n=3.25×105。這時F還是小于Fi，相差10-6量級。可以推測，倘若要使Cu98.4Cr1.6合金在超重力場下產(chǎn)生明顯的宏觀分層，超重力場需要達到109g以上。

由以上分析可知，如果原子間相互作用力很大，那么即使在較大的超重力場下，合金熔體也不易發(fā)生宏觀偏析。Cu98.4Cr1.6合金在4230g超重力場下凝固時，超重力還不足以使先共晶Cu與液相產(chǎn)生宏觀上的分離，故而合金沒有產(chǎn)生明顯的宏觀偏析。

4.2 超重力場下的晶粒細化

在超重力場下，根據(jù)Turnbull[16]的穩(wěn)態(tài)形核率u如下式：

(4)

式中，NV為單位體積原子數(shù)；a為原子直徑；D為擴散系數(shù)；ΔG*為形成晶核的最大自由能差；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為溫度。

而擴散系數(shù)[17]可由式(5)計算：

D=D0+Dg+DG

(5)

式中，D0為微重力下的擴散系數(shù)；Dg為重力下的擴散系數(shù)；DG為超重力下的擴散系數(shù)。

陳魁英[18]等研究了超重力下的形核過程，在地球表面施加超重力時結晶的吉布斯自由能差為：

ΔG=-(ΔGV+Gg+GG)V+σA

(6)

式中，ΔGV為熔液和晶體間的吉布斯自由能差；Gg為在普通重力下加在晶核單位體積的能量；GG為超重力場下加在晶核單位體積的能量；σ為固液界面能；A為界面面積；V為體積。

Gg和GG都為正值，而且GG>Gg。如假定晶核為球形，則臨界晶核半徑r*為式(7)所示：

(7)

將式(7)代入式(6)，得到在超重力場下的ΔG為：

(8)

式中，ΔGG*為超重力場下形核的最大自由能差。通過上述公式得出，超重力場有利于擴散系數(shù)的增加和臨界形核半徑的減小，對形核率的增加起到強烈的促進作用，因而，在超重力場下進行金屬的凝固有可能會產(chǎn)生晶粒細化現(xiàn)象。

5 結 論

1.超重力場條件下凝固較普通凝固而言，4230g超重力場條件下凝固的Cu98.4Cr1.6共晶組織得到了明顯的細化，Cr棒的直徑由250～350nm細化至100～ 200nm，并且排列比較整齊規(guī)則。

2.Cu98.4Cr1.6合金在4230g超重力場條件下凝固時，沿超重力場方向的硬度和成分無明顯區(qū)別，合金在4230g超重力場凝固時不會產(chǎn)生明顯的宏觀偏析。

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InfluenceofSuperGravityFieldonSolidificationStructuresofCu98.4Cr1.6Alloy

XIONGMei1,GANZhanghua1,LIANGYu1,FENGJijun2,LUZhihong1,LIUJing1

(1.TheStateKeyLaboratoryofRefractoriesandMetallurgy,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,China;2.SchoolofPhysicsandTechnology,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)

Samples of Cu98.4Cr1.6alloy were solidified under a normal gravity field and a 4230 g super gravity field, respectively, in order to study the influence of the super gravity field on the degree of macro segregation and the formation rod-like eutectic structures. The results show that, compared with the sample prepared under the normal gravity field, the rod-like eutectic structures decrease significantly in the sample solidified under the 4230g super gravity field, and the diameter of the rod-like eutectic structures decreased from 250～350nm to 100～200nm. Additionally, when the Cu98.4Cr1.6alloy solidified under a 4230g super gravity field, obviously macro segregation was not observed, and the hardness and composition distributions of the Cu98.4Cr1.6alloy were nearly identical along the direction of the super gravity field.

super gravity field; Cu98.4Cr1.6alloy; eutectic structures; grain refine; macro segregation

2016-01-15；

2016-06-28

國家自然科學基金資助項目(11574242)

熊 梅(1993-)，碩士，主要研究：超重力場對二元合金組織及性能的影響。E-mail: xiongbangmei@126.com。

甘章華(1974-)，教授，博士，主要研究：超重力場凝固。E-mail: gumpgzh@aliyun.com。

1673-2812(2017)06-1005-05

TG146.1+1

A

10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.06.027