銅鍺合金的深過冷、枝晶生長速率及晶粒細化研究.pdf

1、深過冷熔體的快速凝固是金屬凝固領(lǐng)域的前沿研究課題。研究深過冷熔體中的枝晶生長動力學(xué)和凝固組織演化規(guī)律對于人們認識和利用液態(tài)金屬的快速凝固過程具有重要的理論和實際意義。
　　 本文首先采用純金屬Cu及Cu-10％Ge、Cu-14.8％Ge合金在熔融玻璃凈化工藝條件下的過冷行為,就加熱方式、保護氣氛、冷卻速率以及合金成分的影響進行了研究。在此基礎(chǔ)上,本文采用紅外測溫技術(shù)和高速攝影技術(shù)研究了Cu-10％Ge和Cu-14.8％Ge合金深

2、過冷熔體的快速凝固過程,對深過冷熔體中的枝晶生長速率進行了實驗測定,并對其凝固組織中出現(xiàn)的晶粒細化現(xiàn)象進行了研究。
　　 深過冷實驗結(jié)果表明,無論是純金屬Cu還是Cu-10％Ge和Cu-14.8％Ge合金,其在感應(yīng)加熱條件下獲得的最大過冷度值都明顯高于電阻爐加熱下的最大過冷度。分析認為,這一差別可能與感應(yīng)加熱條件下樣品內(nèi)存在的強迫對流有關(guān)。通過對感應(yīng)加熱下熔融玻璃凈化工藝的實驗發(fā)現(xiàn),除加熱方式外,保護氣氛的種類和合金成分是影響熔

3、融玻璃凈化條件下液態(tài)金屬過冷度的關(guān)鍵因素。
　　 實驗測量結(jié)果表明,Cu-10％Ge合金深過冷熔體中初生相α-(Cu)的枝晶生長速率隨過冷度的增大而持續(xù)增大。在實驗所能達到的過冷度范圍內(nèi),枝晶生長速率與過冷度之間符合冪函數(shù)關(guān)系:V=0.00009×△T2.34(m/s)。同樣,Cu-14.8％Ge合金深過冷熔體中初生相α-(Cu)的枝晶生長速率也隨過冷度的增大而持續(xù)增大。在實驗所能達到的過冷度范圍內(nèi),枝晶生長速率與過冷度之間符合

4、冪函數(shù)關(guān)系:V=0.00001×△T2.57(m/s)。在相同的過冷度條件下,Cu-14.8％Ge合金中初生相α-(Cu)的枝晶生長速率明顯低于Cu-10％Ge合金中的數(shù)值。這是由于在中低過冷度條件下,枝晶生長速率主要受溶質(zhì)擴散控制。合金中的溶質(zhì)含量越高,枝晶生長速率越緩慢。
　　 微觀組織分析表明,Cu-10％Ge合金的凝固組織為單相組織,并在特定的過冷度范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的晶粒細化現(xiàn)象。在電阻爐加熱條件下,合金凝固組織出現(xiàn)晶粒細

5、化的過冷度為45K～77K；而在感應(yīng)加熱下,合金凝固組織出現(xiàn)晶粒細化的最低臨界過冷度為83K。Cu-14.8％Ge合金的凝固組織由初生相α-(Cu)和包晶相ζ-Cu5Ge相組成。在深過冷條件下,其凝固組織中初生相α-(Cu)的晶粒也發(fā)生明顯的細化現(xiàn)象。在電阻爐加熱條件下,合金凝固組織出現(xiàn)晶粒細化的過冷度為74K～85K；而在感應(yīng)加熱下,合金凝固組織出現(xiàn)晶粒細化的最低臨界過冷度為83K～103K。分析認為,Cu-Ge合金深過冷快速凝固組織

6、中的晶粒細化現(xiàn)象不儀與過冷度有關(guān),而且還和合金成分、冷卻速率密切相關(guān)。
　　 此外,對不同成分的Cu-Ge合金快速凝固過程的原位觀察表明,在特定的過冷度內(nèi),樣品表面的宏觀固液界面發(fā)生了由鋸齒狀向平滑狀的轉(zhuǎn)變。其中,Cu-10％Ge合金宏觀固液界面特征發(fā)生轉(zhuǎn)變的過冷度范圍為74K～83K,而Cu-14.8％Ge合金中宏觀固液界面特征發(fā)生轉(zhuǎn)變的過冷度范圍則為83K～103K。分析認為,這種差異很可能與快速凝固過程中的溶質(zhì)截留現(xiàn)象有關(guān)