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纯镍细化剂的选择与细化机理初探

高晓龙  
【摘要】:根据Hall-petch公式σs=σ0+kd-1/2,细化晶粒既能提高材料的强度,又能改善材料的塑性,是提高材料性能的有效手段。细化晶粒的方法分为物理和化学两大类,其中常见的细化方法有形变处理细化法、物理场细化法、快速冷却法、机械物理细化法及添加细化剂和变质剂等。物理细化方法处理材料纯净度高,不会对金属熔体带来外来夹杂,细化效果好;化学添加剂法细化效果稳定、作用快、操作方便、适应性强,是目前最普遍的细化方法。 对铝及铝合金、镁及镁合金采用化学添加剂法细化晶粒的文献报道已经很多,但对镍及镍合金细化的文献报道却很少。本文采用化学添加剂法细化纯镍的晶粒,向纯镍熔体中添加了多种合金元素和化合物,不同的合金元素和化合物对纯镍的晶粒细化能力不同,细化能力由强到弱依次为钛化物2、钛化物1、纯Ce、混合稀土及含钛化物2的合金。添加含钛化物2的合金与添加钛化物2的细化效果相比,钛化物2的细化效果明显大于含钛化物2的合金的细化效果,因此初步推断含钛化物2的合金中间合金当中包含的合金元素对于纯镍基本无细化效果。稀土元素在纯镍凝固过程中,易偏析造成颈缩现象,使枝晶熔断、游离,增加形核质点;同时稀土元素降低表面能,促进形核,而使晶粒细化。但是成分过冷引起的晶粒细化作用通常是很弱的,对纯镍晶粒的细化作用较小。 研究结果表明:随着钛化物2添加量的增大,纯镍的晶粒尺寸不断减小,未添加钛化物2时纯镍晶粒尺寸为242μm;当钛化物2添加量为0.8%时,晶粒尺寸减小为46μm,进一步增大钛化物2的添加量时,晶粒尺寸基本保持稳定,当钛化物2添加量为1.2%细化效果达到最佳。 运用电子探针对细化试样进行分析,发现当钛化物2添加量较低时,钛化物2在镍熔体中均匀分布,在晶内及晶界均有钛化物2存在,钛化物2起到了异质核心的作用;当钛化物2添加量较高时,钛化物2粒子聚集,钛化物2的含量明显晶界高于晶内,晶界的钛化物2减慢晶界的迁移速度,使晶粒大小不均— 运用接触角理论、点阵常数相当理论、非均质形核中静电作用的理论,定性的分析了钛化物2细化纯镍的机理。钛化物2由于具有极高的熔点、高的化学稳定性、高的硬度和优异电性能,从不同的理论角度来看,都可以作为纯镍有效的形核剂,促进纯镍的晶粒细化。


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