超重力场凝固对Cu-1.6%Cr共晶合金组织的影响

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(1.武汉科技大学材料与冶金学院，省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，湖北 武汉 430081； 2.武汉大学物理工程学院，湖北 武汉 430072)

超重力场凝固对Cu-1.6%Cr共晶合金组织的影响

熊梅1，甘章华1，梁宇1，冯继军2，卢志红1，刘静1

(1.武汉科技大学材料与冶金学院，省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，湖北武汉430081；2.武汉大学物理工程学院，湖北武汉430072)

本实验分别在普通重力场和4230g超重力场下制备了Cu98.4Cr1.6合金的凝固样品，研究了重力场对Cu98.4Cr1.6合金棒状共晶尺寸和宏观偏析情况的影响。结果表明：与普通重力场的凝固组织相比，当Cu98.4Cr1.6合金棒状共晶在4230g超重力场下凝固时，棒状共晶组织得到了明显的细化，其直径由250～350nm降至100～200nm。同时，Cu98.4Cr1.6共晶合金沿超重力场方向的硬度和成分分布基本一致，未出现明显的宏观偏析。

超重力场； Cu98.4Cr1.6合金； 共晶组织； 晶粒细化； 宏观偏析

1 引 言

随着材料科学技术的高速发展，为获得性能更加优异的材料，越来越多的物理场被应用到材料的凝固研究中，衍生出如定向凝固[1-2]、电磁场凝固[3]、超声波凝固[4]等研究方向。

重力场对金属凝固具有显著的影响[5-8]。按照与地球重力大小的对比，重力场可以分为微重力场和超重力场，而在不同重力场下凝固也分为微重力场凝固[5]及超重力场凝固[8]两大类。

重力场对凝固组织的影响主要体现在晶粒大小和偏析等方面。在微重力场下，部分合金出现了晶粒细化的现象，也有部分合金出现了晶粒变粗的现象。Larson[5,9]等的研究指出MnBi-Mn在微重力场下凝固时，其纤维状共晶的纤维间距变小。Favier[5,10]等的研究中得到微重力场下凝固时，Al-Al3Ni的纤维状共晶的纤维间距变大，而Al-Al2Cu的层片状共晶在微重力场下凝固的片层间距与普通凝固的无明显差异。在微重力条件下熔体中重力引起的沉降和浮力对流基本消除，扩散和界面张力起主导作用，因此一般认为微重力场下容易获得均匀无偏析合金。

目前，较多的研究都集中在微重力场凝固，而对于超重力场对合金的组织及性能的影响，有很多方面还有待研究。例如，Corbett[11]等研究了Pb-50Sn合金在超重力场下定向生长的微观结构，发现其二次枝晶间距没有大的改变，但一次枝晶间距随重力水平的增加由185μm减小到约145μm。Müller[12]等研究了在1～30g超重力场下变化时浮力对流对InSb合金溶质分布以及熔体凝固组织的影响，得出当达到一定的超重力水平时，InSb晶体中的生长条纹被有效抑制。

Cu-Cr合金具有高的导电性和强度[13-14]，是一种具有优良力学性能和导电性能的功能材料。本文以Cu98.4Cr1.6合金为对象，分别在普通重力场和4230g超重力场下制备了Cu98.4Cr1.6合金的凝固试样，研究了重力场对Cu98.4Cr1.6合金棒状共晶尺寸和宏观偏析的影响。

2 实 验

本实验利用超重力机通过旋转离心的方法实现了4230g的超重力场。

超重力机主要由电机、旋转臂、旋转轴以及变频器组成。超重力场的计算公式如式(1)所示：

(1)

其中:

(2)

式(1)中，g为地球重力场加速度(m/s2)；r为旋转轴中心到样品的距离(m)；n′为旋转轴的转速(r/min)。式(2)中，n为电机的转速(r/min)。

由于超重力场很大，则地球重力场的影响可以忽略不计，G′≈g′。本实验中超重力场的大小为G′=4230g。

实验使用的原料为纯铜和纯铬，所选合金的成分为Cu98.4Cr1.6合金。将上述原料配制母合金，再将母合金装入石英管中，放入高频感应加热炉的感应线圈中重熔，使熔融态合金分别在普通重力场和4230g的超重力场下凝固，得到Φ10mm×15mm的铸锭试样。利用线切割机将凝固后的试样沿着超重力场方向进行切割，经过镶样、粗磨、精磨、机械抛光后，使用15%H3PO4+30%HNO3+55% CH3COOH的混合溶液进行腐蚀，腐蚀时间10s左右，清洗吹干后得到金相样品。采用Nova 400型扫描电子显微镜对样品的微观组织形貌及成分进行了观察测试和分析，并用HV-1000B型维氏硬度计(载荷为200gf)，沿超重力场方向对样品的硬度分布进行了检测。

3 实验结果

如图1所示，沿重力场方向，从样品的顶部至底部，选择了7个区域进行面扫描，每个区域的尺寸为1.5mm×0.2mm，间隔为1mm，得到这7个区域的Cr含量分布图，并对该7个区域分别进行了硬度测试，得到了这7个区域的硬度分布。由图1可知，每个区域的Cr含量均在4%左右，HV硬度值都约为80左右。图2(a)所示为Cu98.4Cr1.6合金在4230g超重力场下凝固时沿超重力场方向的微观组织形貌，图1中所指的7个区域的组织均与图2(a)类似，先共晶的大小与形态并无明显差异。由Cr含量分布、硬度分布及合金的显微组织可知，Cu98.4Cr1.6合金在4230g超重力场凝固时，沿超重力场方向不存在明显的宏观偏析。

图1 Cu98.4Cr1.6合金在4230g超重力场下凝固时沿超重力场方向的Cr含量及硬度分布图Fig.1 Cr content and hardness distributions of the Cu98.4Cr1.6alloy solidified under the super gravity field across the seven regions

由图2(a)可知，Cu98.4Cr1.6合金在4230g超重力场下凝固的组织是由初生相与共晶组织组成。图2(b)为图2(a)的局部放大图，由图可知，共晶组织排列十分密集整齐。图2(c)是共晶组织的细节放大图，从图中可知，共晶组织呈棒状，并且嵌在基体中，如图2(d)所示，该棒状共晶十分细小。

图2 Cu98.4Cr1.6合金沿超重力场方向的显微组织图Fig.2 Microstructures of the Cu98.4Cr1.6alloy solidified under 4230g super gravity field

采用EDS对棒状共晶和基体进行了面扫描分析，结果如图3所示。由图3可知，棒状共晶为富Cr相，而基体为富Cu相。

图4(c)、4(d)为Cu98.4Cr1.6合金在4230g超重力场下凝固所得的共晶组织，为了便于对照，也给出了Cu98.4Cr1.6合金在普通重力场下凝固所得的共晶组织，如图4(a)、4(b)所示。

由图4可见，不同重力场下凝固的Cu98.4Cr1.6合金的共晶组织均为棒状共晶。由图4(a)可得，在普通重力场下凝固的富Cr棒较短，由图4(b)可知该富Cr棒的直径为250～350nm。由图4(c)可见，在超重力条件下，超重力凝固的富Cr棒非常细长，长径比很大，且排列比较整齐；由图4(d)可知该富Cr棒的直径仅为100～200nm。相对于普通重力场下的共晶组织，超重力凝固的共晶组织得到了明显的细化。

图3 Cu98.4Cr1.6合金组织的面扫描图Fig.3 Composition analysis of the Cu98.4Cr1.6alloy structures

图4 超重力场对Cu98.4Cr1.6合金凝固的共晶组织的影响 (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 分析讨论

4.1 超重力场对宏观偏析的影响

单个Cu原子在凝固时受到重力G、浮力Fb和原子间相互作用力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与重力场呈正比，促使Cu原子下沉，见式(3)。

(3)

Cu原子半径为0.157nm，ρcu=8.96g/cm3，ρcr=7.256g/cm3，g′=4230×9.8N/kg，则F=1.145× 10-21N。而金属液体原子间相互作用力Fi为10-12N量纲[15]。可见，即使在4230g的超重力场下，F亦远小于原子间相互作用力Fi，相差10-9数量级，因此，超重力还不足以使Cu原子与Cr原子分开。

在已产生先共晶Cu的情况下，我们假设先共晶Cu为球形，半径r=na0。与单个Cu原子相比，体积增加n3倍，而表面积增加n2倍。亦即F增加n3倍，而原子间相互作用力Fi约增加n2倍。因此F/Fi增加n倍。由图1可知，取r=50μm，计算得n=3.25×105。这时F还是小于Fi，相差10-6量级。可以推测，倘若要使Cu98.4Cr1.6合金在超重力场下产生明显的宏观分层，超重力场需要达到109g以上。

由以上分析可知，如果原子间相互作用力很大，那么即使在较大的超重力场下，合金熔体也不易发生宏观偏析。Cu98.4Cr1.6合金在4230g超重力场下凝固时，超重力还不足以使先共晶Cu与液相产生宏观上的分离，故而合金没有产生明显的宏观偏析。

4.2 超重力场下的晶粒细化

在超重力场下，根据Turnbull[16]的稳态形核率u如下式：

(4)

式中，NV为单位体积原子数；a为原子直径；D为扩散系数；ΔG*为形成晶核的最大自由能差；k为玻尔兹曼常数；T为温度。

而扩散系数[17]可由式(5)计算：

D=D0+Dg+DG

(5)

式中，D0为微重力下的扩散系数；Dg为重力下的扩散系数；DG为超重力下的扩散系数。

陈魁英[18]等研究了超重力下的形核过程，在地球表面施加超重力时结晶的吉布斯自由能差为：

ΔG=-(ΔGV+Gg+GG)V+σA

(6)

式中，ΔGV为熔液和晶体间的吉布斯自由能差；Gg为在普通重力下加在晶核单位体积的能量；GG为超重力场下加在晶核单位体积的能量；σ为固液界面能；A为界面面积；V为体积。

Gg和GG都为正值，而且GG>Gg。如假定晶核为球形，则临界晶核半径r*为式(7)所示：

(7)

将式(7)代入式(6)，得到在超重力场下的ΔG为：

(8)

式中，ΔGG*为超重力场下形核的最大自由能差。通过上述公式得出，超重力场有利于扩散系数的增加和临界形核半径的减小，对形核率的增加起到强烈的促进作用，因而，在超重力场下进行金属的凝固有可能会产生晶粒细化现象。

5 结 论

1.超重力场条件下凝固较普通凝固而言，4230g超重力场条件下凝固的Cu98.4Cr1.6共晶组织得到了明显的细化，Cr棒的直径由250～350nm细化至100～ 200nm，并且排列比较整齐规则。

2.Cu98.4Cr1.6合金在4230g超重力场条件下凝固时，沿超重力场方向的硬度和成分无明显区别，合金在4230g超重力场凝固时不会产生明显的宏观偏析。

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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

国家自然科学基金资助项目(11574242)

熊 梅(1993-)，硕士，主要研究：超重力场对二元合金组织及性能的影响。E-mail: xiongbangmei@126.com。

甘章华(1974-)，教授，博士，主要研究：超重力场凝固。E-mail: gumpgzh@aliyun.com。

1673-2812(2017)06-1005-05

TG146.1+1

A

10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.06.027