共晶合金深過(guò)冷快速凝固組織形成的研究.pdf

1、深過(guò)冷共晶合金凝固時(shí)常形成反常共晶，關(guān)于其形成機(jī)理人們進(jìn)行了很多研究，提出了多種理論。近年來(lái)，有關(guān)反常共晶的形成是溶質(zhì)過(guò)飽和的初生固相，在溫度再輝過(guò)程中因重熔而瓦解的觀點(diǎn)獲得了廣泛的認(rèn)可。然而，對(duì)于哪種因素可能影響初生固相的重熔，進(jìn)而影響到反常共晶的形成，并沒有系統(tǒng)的研究。此外，過(guò)冷熔體快速凝固形成的亞穩(wěn)相，常常在后續(xù)的慢速凝固階段發(fā)生分解，阻礙了亞穩(wěn)相結(jié)構(gòu)、性能特別是其應(yīng)用方面的研究。本文首先對(duì)共晶合金深過(guò)冷快速凝固時(shí)初生共晶重熔分?jǐn)?shù)

2、與熔體過(guò)冷度以及合金性質(zhì)的關(guān)系進(jìn)行理論分析，以 Ag-Cu、Ni-P以及Pd-P共晶合金為對(duì)象進(jìn)行了過(guò)冷凝固實(shí)驗(yàn)，對(duì)所提重熔理論進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。接著以Co-B合金為對(duì)象，對(duì)其在深過(guò)冷凝固過(guò)程中的亞穩(wěn)相穩(wěn)定問題進(jìn)行探討，取得的成果如下：
　　基于過(guò)冷熔體中共晶生長(zhǎng)的理論模型（LZ模型），導(dǎo)出了初生共晶在溫度再輝過(guò)程中重熔分?jǐn)?shù)的表達(dá)式，考察了溶質(zhì)再分配系數(shù) k，液相線斜率 m以及共晶點(diǎn)位置成分Ce對(duì)初生固相重熔分?jǐn)?shù)的影響。結(jié)果表明，初

3、生固相的重熔分?jǐn)?shù)不僅隨熔體過(guò)冷度的增大而上升，而且還跟合金性質(zhì)參數(shù)有關(guān)。溶質(zhì)再分配系數(shù) k越大，液相線斜率m越小，初生固相中的溶質(zhì)過(guò)飽和度越大，溫度再輝時(shí)初生固相重熔分?jǐn)?shù)越大，越容易形成反常共晶。反之，則不易于形成反常共晶。當(dāng) k接近零，如具有嚴(yán)格化學(xué)計(jì)量比的金屬間化合物，以及m很大的深共晶，初生固相幾乎不被重熔。共晶點(diǎn)成分Ce的變化只影響初生固相的溶質(zhì)過(guò)飽和度，但對(duì)初生固相重熔分?jǐn)?shù)影響不明顯。
　　在三種具有代表性的共晶合金Ag

4、-39.9at.%Cu（固溶體-固溶體），Ni-19.6 at.%P（固溶體-嚴(yán)格化學(xué)計(jì)量比金屬間化合物）和 Pd-16.0at.%P（嚴(yán)格化學(xué)計(jì)量比金屬間化合物-嚴(yán)格化學(xué)計(jì)量比金屬間化合物）中，Ag-39.9at.% Cu共晶合金深過(guò)冷快速凝固時(shí)，初生共晶組織中α-Ag、β-Cu兩個(gè)相都被重熔，以致在反常共晶組織中不管是α-Ag還是β-Cu都沒有取向性。Ni-19.6 at.%P共晶合金凝固時(shí)，只有固溶體相α-Ni被重熔，而具有嚴(yán)格化

5、學(xué)計(jì)量比的金屬間化合物β-Ni3P相沒有被重熔，所以在反常共晶中α-Ni取向不一致，而β-Ni3P取向高度一致。由兩個(gè)都是嚴(yán)格化學(xué)計(jì)量比金屬間化合物組成的Pd-16.0at.%P共晶合金，在快速凝固過(guò)程中初生共晶組織沒有被重熔，因此沒有反常共晶的形成。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論預(yù)測(cè)完全一致，進(jìn)一步證明反常共晶是因初生固相重熔所致。
　　使用薄片試樣抑制快速凝固時(shí)的再輝度，成功避免了初生共晶組織的重熔，將所得試樣在熱模擬上快速加熱至共晶溫度

6、之下不同的溫度，觀察其組織，在Ag-39.9at.%Cu層片共晶試樣中，不管是α-Ag還是β-Cu都被重熔，以致在形成的反常共晶中α-Ag和β-Cu都沒有明顯的取向性。而Ni-19.6 at.%P共晶試樣，只有α-Ni被重熔，在所形成的反常共晶中，α-Ni取向不一致，而β-Ni3P始終保持高度一致的取向。
　　對(duì)Co-18.5at.%B共晶成分附近合金的過(guò)冷凝固實(shí)驗(yàn)表明,存在一個(gè)~60 K的臨界過(guò)冷度。當(dāng)合金熔體在該臨界過(guò)冷度以下

7、凝固時(shí)，凝固進(jìn)程依據(jù)平衡相圖進(jìn)行，凝固組織由α-Co和Co3B相組成。而在該臨界過(guò)冷度以上凝固時(shí)，亞穩(wěn)相Co23B6取代穩(wěn)定相Co3B在熔體中優(yōu)先形成，且只要冷卻速率大于25K/min，亞穩(wěn)相 Co23B6就可以保留到室溫。X射線粉末衍射全譜擬合結(jié)構(gòu)精修結(jié)果表明，亞穩(wěn)相Co23B6屬于面心立方的Cr23C6-type結(jié)構(gòu)類型，空間群為Fm3m(225)，晶格常數(shù)為a=10.4912(1)?。亞穩(wěn)相Co23B6的熔點(diǎn)和共析分解溫度分別為1

8、348 K和1208 K。在1208-1348 K溫度范圍內(nèi)，亞穩(wěn)相 Co23B6穩(wěn)定存在，在共析轉(zhuǎn)變溫度以下則發(fā)生共析分解Co23B6→α-Co+Co3B，其等溫分解TTT曲線呈現(xiàn)出典型的C曲線形狀，鼻尖溫度為1023 K，上限和下限溫度分別為1208 K和923 K。亞穩(wěn)相Co23B6在923-1123 K溫度范圍內(nèi)分解時(shí)激活能為213.6 KJ/mol，而在1123-1208 K范圍內(nèi)分解時(shí)，激活能為44.9 KJ/mol。實(shí)驗(yàn)結(jié)