纯镍板焊缝区胞状晶形成机制浅析

昝 斌，朱 繁，王平义

(金川集团股份有限公司 镍钴资源综合利用国家重点实验室，甘肃 金昌737100)

1 试验材料及方法

对厚度5.5mm 的纯镍板材(合金牌号N6)进行等离子焊接(图1)。板材化学成分(质量分数，%)为，(Ni+Co)99.7，Cu 0.003，Si 0.032，Mn 0.031，C 0.007，Mg 0.015，S 0.001，P 0.0004，Fe 0.027。

图1 N6板材等离子焊接后照片Fig.1 Picture of N6 plate after plasma wedding

2 试验结果

对N6板材焊接区取方块试样，沿试样平行于轧制和垂直轧制两个方向进行金相分析，分别如图2(a)和图2(b)所示。从图2(a)中可明显看到A晶粒中蜂巢状的胞晶组织，说明金相截取面与A晶粒胞晶生长方向垂直，而B晶粒与A晶粒取向差别大，则看不到胞晶。图2(b)中A与B晶粒取向差别较小，可看出B晶粒中存在的胞晶。可以明显看出，焊缝区金属胞状晶均明显被所在的晶粒晶界严格划分，说明胞状晶形成在特定晶粒取向形成。图3是笔者通过热型连铸(连续定向凝固，凝固速度40mm/min)，制备的Cu-0.4Sn合金圆杆[1]，其横截面金相中不同晶粒内的痘状胞晶生长方向都与宏观热流方向相一致，符合成分过冷判据中典型胞晶的生长条件。A晶粒与B晶粒的平面热流方向一致，而且胞状晶明显被所在的等轴晶晶界严格划分，为六边形与四边形的网格状。

图2 N6板材焊接区金相Fig.2 Metallography of N6 plate in wedding zone

图3 定向凝固Cu-0.4Sn合金圆杆金相Fig.3 Directionally solidified Cu-0.4Sn alloy round rod metallography

从图3可以看出，在不同晶粒中的胞状晶与晶体取学向无关，都与热流方向也就是定向凝固方向一致，说明胞晶在定向凝固下生长的确与热流方向平行，与晶体取向无关。

当“成分过冷”使结晶的平界面遭到破坏，在固液界面上出现小的凸起会进入到比住界面处更大的成分过冷区域之中，则小的凸起越长越大，形成胞状晶[3]。随着的减少，成分过冷度从小变大，使界面成长形状从平直界面向胞状和树枝状发展，晶体形貌从平面晶向胞状晶再到树枝晶进行转变。在固液界面上出现小的凸起会进入到比住界面处更大的成分过冷区域之中，则小的凸起越长越大，平滑的固液界面失去稳定性，形成胞状晶。胞晶沿热流生长形成过程如图4所示。

图4 胞晶沿热流生长形成过程示意图[5]Fig.4 Schemaic diagram of cell crystal growth and formation of process along heat flow

3 分析讨论

近几十年来对液态金属结构和遗传性方面的研究逐渐形成了一些共识，金属由晶体状态向熔体状态转变不会引起近程有序结构的重组；金属熔体是由成分和结构不同的游动的有序原子集团与它们之间的各种组元原子呈现杂乱分布的无序带所组成。而通常铸造合金的过热温度都不高(高于液相线以上100℃～200℃ )，大大低于液态结构的无序化温度[4]。

通常认为熔体在不大的过热下，其结构、热运动等特点与晶体有较大的相似性。晶体的熔化消除了三维的周期性，但在一定程度上仍保持着原子排列的短程序[5]。

本文中轧制纯镍板材存在一定的变形织构，在之后的焊接过程中，熔化和凝固都非常快，属于典型的过热温度都不高和快速等轴冷却条件，变形织构一定程度保留到了焊缝区金属液体中，在等轴凝固条件下焊缝区形成择优取向的胞状晶。

4 结论

(1) 根据成分过冷理论判据，在成分过冷不大时，在定向凝固温度场条件下，金属液体凝固形成胞状晶，胞状晶沿宏观的热流方向生长，与晶体学取向无关。

(2) 在金属液体过热度不高时，轧制变形织构一定程度保留到了之后的焊缝区金属液体中，冷却凝固后形成沿着特定晶体学取向的胞状晶，呈现“择优取向” 即沿着特定的晶体取向生长。说明在等轴凝固条件下，金属液体凝固过程也会出现胞状晶，此时胞状晶与晶体学取向有关，呈现“择优取向”，即沿着特定的晶体取向生长。这种变形织构组织对凝固组织形成过程的微观机理还需要进一步研究。