铜基偏晶合金的研究现状

铜基偏晶合金(Cu-Co、Cu-Fe、Cu-Cr等)具有优异的电、磁、力学等特性,受到国内外材料科学领域学者的广泛关注。在制备过程中,铜基偏晶合金由于发生液相分离行为并形成严重的偏析组织现象,被称为不混溶合金。过去的研究主要集中于寻求使铜基偏晶合金组织均匀的制备方法,然而近期研究表明,偏析组织异质结构的强度-韧性协同作用有利于提高材料的韧性,这为铜基偏晶合金的进一步发展提供了新思路。本文综述了目前国内外对铜基偏晶合金的液相分离和偏析组织形成机理的理论研究成果(包括液相分离组织结构演变、液相分离热力学以及第二相液滴形核生长动力学研究),归纳了目前主流的改善偏析组织方法(包括微合金化法、快速凝固法和激光成形法),阐述了铜基偏晶合金因液相分离特性产生的双相复合微观组织结构的强度-韧性协同作用,最后对铜基偏晶合金未来的研究发展方向进行了展望。

Sc对Al-Bi偏晶合金凝固组织及耐磨性影响的研究

采用微合金化的方法,研究了稀土元素Sc对Al-Bi偏晶合金凝固组织及耐磨性的影响。通过OM、SEM、TEM、XRD多功能材料表面性能测试仪等设备对试样进行检测分析。结果表明:微量Sc元素的加入降低了富Bi相的形核能,增加了形核位置,有效地改善了富Bi相的成分偏析现象,减小了Al基体的晶粒大小。同时微量Sc元素能显著提高Al-Bi合金的硬度及摩擦系数,当Sc含量在0.25 wt%时硬度与摩擦系数皆取得极大值,此时较未加Sc时,硬度提升了109%,摩擦系数提升了33%。当Sc的含量增加到1 wt%时,试样中发现了密集的Al3Sc相,具有规则的几何轮廓,并且有明显的偏聚行为。富Bi相与Al3Sc相两种相单独析出,互不干涉。

添加第三组元调控Al-Bi偏晶合金凝固组织研究进展

Al-Bi偏晶合金熔体冷却过程中由均一的液相经液-液相转变为两互不混溶的液相,在常规重力铸造条件下极易形成宏观偏析严重的凝固组织,极大限制其工业应用,因此有必要对Al-Bi偏晶合金凝固组织进行有效调控(细化和均匀化)。近年来,研究者对如何改善Al-Bi等偏晶合金偏析组织开展了大量研究,如快速凝固、施加外场和添加第三组元等,其中添加第三组元最有可能实现其低成本/规模化制备。基于此,本文主要综述了Al-Bi偏晶合金添加第三组元(合金元素、Al-(Ti)-(B)体系、陶瓷颗粒)的相关研究进展,其中添加含陶瓷颗粒的第三组元能够有效细化和均匀化富Bi相,获得弥散型Al-Bi基偏晶合金,该研究对于实现其大规模工业应用具有重大意义。

偏晶合金液液相分离机制和均质偏晶合金的制备方法

本文介绍了偏晶合金液液分离机制的研究现状及偏晶合金形核特点,在此基础上,分析了影响偏晶合金液液相分离的诸多因素和机制,并系统介绍了制备均质偏晶合金的各种方法。指出:影响偏晶合金液液相分离的诸因素的作用过程及均质偏晶合金的制备和应用,将是该领域今后研究的重点。

超高温度梯度场中的Al－Bi偏晶共生行为

应用高频区熔和液态金属冷却方法，考察了定向凝固速率和温度梯度对Ａｌ－Ｂｉ偏晶共生结构的影响．发现在陡的温度梯度下，仅有很低的生长速度方能形成共生；界面前沿的液相流动破坏了共生藉以维持的稳定的三相交角，从而产生厂共生结构的异常用化与破断，利用原子扩散时间与熔体重构时间的等量关系，推导出规则型偏晶共生的动力学方程．

深过冷Cu-Pb偏晶合金的快速凝固行为和凝固组织

用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法,研究了亚偏晶Cu-25％Pb合金,Cu-37.4％Pb偏晶合金和过偏晶Cu-40％Pb(质量分数)合金过冷熔体凝固行为和凝固组织的演化规律,以及Cu-37.4％Pb偏晶合金的过冷度对磨损率的影响.研究表明:在过冷亚偏晶Cu-25％Pb台金熔体凝固过程中先形成α(Cu)初生相,随着过冷度的增大,凝固组织经历粗大枝晶重熔形成的细化枝晶向准球状晶粒演化的过程;在过冷Cu-37.4％Pb偏晶合金熔体凝固过程中初生相为L2相,当过冷度在20-150 K区间时,得到第二相S(Pb)弥散在α(Cu)枝晶间的凝固组织,并且在该过冷区间内随着过冷度的增加,材料的磨损率也逐渐降低;在过冷过偏晶Cu-40％Pb合金熔体凝固过程中初生相为L2相,在过冷度区间42-80 K时,得到以偏晶胞形式分布的凝固组织.

快速凝固Cu－Pb亚偏晶合金的自生复合行为

应用单辊工艺研究了Ｃｕ－Ｐｂ亚偏晶合金在急冷条件下的凝固行为。发现急冷细化了共生相间距，拓宽了偏晶共生的成分范围，并对共生形态具有规整化作用。此外，首次观察到了高度规则的放射状共生现象。同时从传质控制角度推导了偏晶共生模型。

过冷过偏晶Cu-40wt％Pb合金凝固组织的演化

用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法,研究了Cu-40wt%Pb过偏晶合金过冷熔体凝固组织的演化规律。在过冷度40～296K的范围内,其凝固组织的形态有3次变化过程:第1次是在40～75K过冷度范围,经过液—液分离和偏晶反应形成了偏晶胞组织;第2次发生在75～196K过冷度范围,因枝晶熟化被抑制,由粗大的枝晶重熔形成的粒状晶转变为高度细化的细枝晶;第3次发生在196～296K过冷度区间,组织因细枝晶再结晶转变为均匀的准球状晶粒。

利用Marangoni对流制备均质偏晶合金

利用温度场下第二相液滴的Ｍａｒａｎｇｏｎｉ运动，设计了一种在地球重力场下制备均质偏晶合金的＂控制铸造＂新技术。在这种技术中，偏晶合金凝固界面前沿的第二相液滴将在重力场下作Ｓｔｏｋｅｓ运动和在温度梯度场下作与重力方向相反的Ｍａｒａｎｇｏｎｉ运动。合成运动的净速度与第二相液滴的尺寸有关：尺寸较小时，液滴以Ｍａｒａｎｇｏｎｉ运动为主；反之则以Ｓｔｏｋｅｓ运动为主。当液滴净速度为零时，第二相液滴生长到一个临界尺寸，控制其动态稳定性，就可能获得第二相粒子均匀分布的偏晶合金。对第二相液滴的临界尺寸进行了估计，它可以表达为对Ａｌ－Ｂｉ和Ａｌ－Ｐｂ偏晶合金控制铸造的初步试验结果表明，Ａｌ基体上第二相Ｐｂ或Ｂｉ的粒子分布与根据上式计算所得的估计在数量级范围大体相当，文中还提出了沉淀孕育期的新概念。

强磁场下Fe-49%Sn偏晶合金凝固组织及磁性能

研究了强磁场对Fe-49%Sn(质量分数)偏晶合金凝固组织演变及磁性能的影响.结果表明:施加强磁场可以显著改变富Fe相枝晶形貌,进而改善材料的磁性能.在无磁场作用下富Fe相为无方向性的枝晶及网状组织形貌:随磁感应强度增加,富Fe相沿平行磁场方向定向排列程度增加,α-Fe的(110)晶面衍射强度增强.分析认为,这是由于强磁场诱使晶体磁各向异性能增加,使得α-Fe枝晶择优取向作用增强.根据样品磁滞回线计算的磁各向异性能结果与理论分折一致.另外,XRD分析表明,有、无强磁场作用下凝固样品的物相均不变,都由α-Fe,β-Sn,FeSn及FeSn_2组成.

强磁场对Cu-80%Pb过偏晶合金凝固组织的影响

通过比较4种实验条件下Cu-80%Pb(质量分数)过偏晶合金的凝固组织,研究了冷速、磁场对过偏晶合金组织中富Cu相的形态和形成机制的影响.实验结果表明,球形富Cu相主要有3种形态,即"网壳型"、"卵型"、"眼型".冷速对Cu-80%Pb宏观和微观组织有较大的影响.随着冷速的降低,Pb基体中的富Cu相由细小的球形转变为上浮聚集的粗大球形,直至全部上浮至试样顶部,富Pb基体中只保留Cu枝晶.冷速的降低使得富Cu球壳的厚度增加,其内部的网状组织粗化;施加12T强磁场能够抑制富Cu液滴的上浮和富Pb相的沉积,对Cu-Pb合金的重力偏析产生一定的抑制作用,所得到的偏晶合金宏观和微观组织与无磁场时冷速较快的组织类似.对于较大的富Cu液滴,强磁场具有抑制Cu溶质迁移的怍用,抑制了球壳的增厚和网状组织的粗化.对有无磁场作用下富Cu液滴受到的作用力和运动终端速度进行了分析和计算。

过偏晶合金快速凝固过程中第二相液滴在液-液相变区内的粗化

建立了一个描述快速冷却条件下偏晶合金在液－液相变区内的第二相液滴粗化的数学模型．该模型考虑了第二相液滴的形核、扩散长大以及 Ｂｒｏｗｎｉａｎ碰撞三者的共同作用模拟结果表明，第二相液滴间的 Ｂｒｏｗｎｉａｎ碰撞是影响液滴粗化的一个重要的因素快的冷却速率导致基体液相中溶质过饱和度和第二相形核速率都升高到一个高的水平，同时得到较小的液滴平均半径和较大的液滴数目密度这个模型对Ａｌ－３０％Ｉｎ合金的预测结果与实验结果吻合较好这说明本文所建立的模型在快速冷却条件下具有实际预测功能。

Fe-Sn偏晶合金的深过冷快速凝固组织

采用3m落管实验装置研究了Fe Sn偏晶合金深过冷快速凝固组织。结果显示在大的过冷度下,亚偏晶合金,偏晶合金和过偏晶Fe Sn合金均获得了组织均匀的两相共生组织,表明在过冷条件下偏晶相图具有与共晶相图相似的偏晶共生区。在过偏晶合金中,富Sn液相优先聚集生长,具有调幅分解生长特征;而在亚偏晶合金中,领先形成相为Fe的固溶体,它以形核长大的方式进行。在Fe 26.2%Sn亚偏晶合金中,首次获得了绝对稳定平界面生长单相组织,实际的溶质分配系数kV→1,经计算,获得绝对稳定平界面生长的临界过冷度为588K,ΔT=0.4TL,对应的生长速度为38.3m/s。

快速凝固Al-In偏晶合金的显微结构

采用单辊法快速凝固工艺制备均质的Ａｌ－Ｉｎ偏晶合金，并对所获得的快速凝固组织和形貌进行了观察和研究结果表明，细小的 Ｉｎ颗粒均匀分布在 Ａｌ基体中；在甩带厚度方向上，随着与激冷面距离的增大， Ｉｎ颗粒尺寸逐渐增大；在同一辊速条件下（同一冷却速率），随着 Ｉｎ含量的增加， Ｉｎ颗粒的平均尺寸也不断增大；在同一成分条件下，随着辊速的升高， Ｉｎ颗粒的平均尺寸不断减小；单辊法快速凝固过程中第二相液滴通过Ｂｒｏｗｎｉａｎ运动和熔体的流动影响其粗化过程．Ｉｎ颗粒尺寸分布具有双峰分布形式，大尺寸颗粒是由在液相分离区形成的 Ｌ２相凝固而成，而小尺寸颗粒是偏晶反应的产物．

Cu-Pb过偏晶合金颗粒生长和Ostwald熟化的相场法模拟

采用计算效率和计算精度较高的Fourier变换谱分析方法求解Cahn-Hilliard相场方程,并耦合热力学数据,对Cu-Pb过偏晶合金在等温情况下液相分离过程中的颗粒生长和Ostwald熟化进行了模拟研究.结果表明,合金体系中两液相区中的第二相颗粒生长和Ostwald熟化过程可以通过调节能量梯度系数和迁移率系数实现.在过饱和基体中第二相单个颗粒生长的计算结果表明,颗粒生长的扩散过程主要是系统自由能作用的结果,能量梯度系数γ对颗粒与基体之间的浓度梯度起调节作用.随着γ的减小,两液相之间的浓度梯度增大,颗粒轮廓线的斜率增加.颗粒半径的生长速率与经典的Zener理论良好吻合.模拟了Cu-Pb过偏晶合金不混溶区析出第二相颗粒半径的分布情况,随着粗化过程的进行,归一化颗粒半径的尺寸分布峰值由初始的小于平均尺寸逐渐向平均尺寸靠近,且最终超过平均尺寸.

快速凝固偏晶合金的显微结构

采用雾化快速凝固技术制备了ＡｌＰｂ二元偏晶合金。对合金的显微结构分析结果表明，在快速凝固条件下，偏晶合金中的第二相形态从带条状转变为颗粒状。随冷速的增加，第二相在基体中的分布更趋均匀、细化；随冷速的降低和第二相含量的增加，第二相趋于分布于材料的表面。本文从凝固过程的凝固速度和固／液界面对第二相液滴的界面排斥对上述现象进行了解释。

深过冷Ni-31.44%Pb偏晶合金快速凝固行为

采用熔融玻璃净化和循环过热相结合的方法研究了Ni 31.44%Pb偏晶合金宽过冷区间的凝固组织演化规律;从形核热力学和动力学两方面分析过冷熔体中稳定相(α)和亚稳相(L2)两相的竞争形核规律。研究结果表明:过冷Ni 31.44%Pb偏晶合金在快速凝固阶段本质上是以枝晶方式生长,首先形成α枝晶骨架,再辉重熔后分布于枝晶间的残余液相按照正常凝固模式进行分相/偏晶等后续反应。

偏晶合金凝固过程及凝固组织控制方法研究进展

偏晶合金的应用十分广泛,其中许多具有重要的工业应用背景,但该类合金凝固时首先发生液-液相变,极易形成偏析严重乃至两相分离的凝固组织,因此其凝固过程研究与工业制备技术研发受到了严重限制。近年来,偏晶合金凝固理论受到材料科学领域的高度重视,为了深入研究偏晶合金凝固组织形成过程及演变规律,材料科学工作者分别在空间微重力条件下和地面重力场内对该类合金开展了大量凝固实验,探索了偏晶合金的常规凝固行为、快速凝固行为、定向凝固行为和连续凝固行为等,考察了微重力场、电场、磁场、离心力场、超声场等外场以及微合金化元素对偏晶合金凝固过程的影响,并结合实验对偏晶合金凝固组织形成过程开展了深入的建模与模拟研究,阐明了偏晶合金凝固机理及关键影响因素。综述了有关偏晶合金凝固研究的进展,介绍了本研究团队相关研究工作,并展望了未来偏晶合金凝固研究的方向。

高温度梯度下Al-In偏晶合金定向凝固组织的演化规律

应用高温度梯度的方法,研究了在定向凝固条件下温度梯度与凝固速率的比值G／R对Al-17.5％In(质量分数)合金 凝固组织的影响.结果表明,偏晶合金的定向凝固与共晶合金定向凝固的生长规律类似.在高温度梯度下,仅在很低的生长速度时 才能形成二相有序排列的共生.在偏晶合金定向凝固进入稳态生长以后,在各自的相凝固前沿富集了另一相的溶质,由于两相的层 间距不大,长大过程中的横向扩散占主导地位.随着生长速度的增大或温度梯度的降低,Al-17.5％In合金定向凝固组织从纤维 结构到周期性或规则排列的串状结构再到弥散分布结构转变.这种转变与固-液界面形状的转变有密切关系.

用铜模快冷法制备均质Al-In过偏晶合金

采用铜模快冷工艺制备了均质的Ａｌ－Ｉｎ过偏晶合金，分析了合金熔配过程、合金成分以及冷却速率对显微组织的影响．研究结果表明，对于质量分数不大于 ３０％Ｉｎ的合金成分，１１７３ Ｋ时保温 ４０ ｍｉｎ 以上时可得到均匀的单一合金熔体．采用铜模快冷方法可以得到第二相颗粒均匀分布的至少 ４ ｍｍ厚的均质合金薄板．Ｉｎ颗粒尺寸分布具有双峰分布形式．随着 Ｉｎ含量的增加或薄板厚度的增大即冷却速率的降低，Ｉｎ颗粒的平均尺寸增大．