定向凝固Fe-Ni和Cu-Ge包晶合金共生与准共生行为对比分析

【摘要】：定向凝固技术制备的两相规则排列的(准)共生生长组织是一种重要的原位自生复合材料。但这种技术目前广泛应用在共晶合金中,在包晶合金中尚未得到成熟发展,这主要是因为包晶两相之间不易形成类似共晶两相之间的溶质扩散偶。因此,系统地研究包晶合金(准)共生生长机制具有重要的理论意义和应用价值。本文选择了Fe-Ni和Cu-Ge两种物性参数差异很大的包晶合金分别进行定向凝固实验,探索了共生组织的形成条件、形态演化和生长稳定性等,并通过两种合金(准)共生组织的对比,分析了物性参数差异对包晶合金(准)共生行为的影响。 对于Fe-Ni包晶合金,本文选择了Fe-4.1at.%Ni亚包晶合金和Fe-4.4at.%Ni过包晶合金在22K/mm温度梯度下进行了定向凝固。在Fe-Ni亚包晶合金较高G/V值下获得了长程稳定存在的纤维状共生组织,在Fe-Ni亚包晶合金较低G/V值下获得了长程稳定存在的纤维状准共生组织,说明共生与准共生组织是可以在Fe-Ni亚包晶合金中成功制备并投入工业应用的;在Fe-Ni过包晶合金较高G/V值下获得了短程不稳定存在的层片状共生组织,这种组织出现后随即演化为包晶相单相组织,而且在Fe-Ni过包晶合金较低G/V值下并未获得准共生组织而是获得了胞状包晶相单相组织,说明Fe-Ni过包晶合金难于制备可工业应用的共生组织。对比了不同C0和G/V下获得的共生组织的形态特征、起始位置、存在距离等参数,并指出溶质富集导致的剩余液相平均成分增加是限制共生组织存在距离的主要因素。对包晶合金共生与准共生组织起源进行了探讨,认为纤维状共生组织起源于包晶相在初生相平界面上的直接形核,层片状共生组织起源于两相竞争生长时初生相在包晶相岛状组织上横向分叉铺展,认为纤维状准共生组织起源于成分过冷导致的初生相界面失稳而呈胞状生长。 对于Cu-Ge包晶合金,本文选择了Cu-12.8at.%Ge包晶点合金和Cu-13.9at.%Ge过包晶合金在25K/mm温度梯度下进行了定向凝固。在Cu-Ge包晶点合金和过包晶合金中都获得了准共生组织,为纤维状初生相镶嵌在包晶相基体中的两相组织,但其形态规则性和稳定性随着合金成分的增大而增加、随着G/V值的增大而增加。在Cu-Ge包晶合金中均未获得共生组织。通过对比两种合金的共生生长行为,分析了结晶温度区间、包晶平台温度、包晶平台成分区间以及溶质溶剂密度比值等物性参数差异对合金凝固特性的影响。发现结晶温度区间越大,合金界面稳定性越差、糊状区长度越长,越不易使包晶两相在同一等温线上生长而形成共生组织;包晶平台温度越高,固液界面前沿径向温度梯度越明显,晶体生长方向越偏离抽拉方向;包晶成分区间越大,包晶两相之间越不易形成稳定的溶质扩散偶而形成共生组织;溶质溶剂密度比值越小,在扩散和浮力流的双重作用下,界面边缘越易发生明显下弯。对Hillert包晶反应模型进行了修正,将曲率引起的附加界面张力考虑在内,对三相区形状重新进行了讨论。