定向凝固金属-气体共晶的研究进展

金属-气体共晶是由一个液相在凝固过程中同时生成一个固相和一个气相的反应,即Liquid→Solid+Gas。在定向凝固条件下,金属-气体共晶可以形成类似于棒状共晶的组织,即圆柱状气孔定向排列于金属基体中的藕状多孔结构。1993年乌克兰学者Shapovalov博士在美国申请的一项专利中提出了用这种定向凝固金属-气体共晶方法制备藕状多孔金属的新工艺。其后,美国、日本、英国等国纷纷开展了相关的研究。各种常见的金属被用来制备藕状多孔金属。2003年,清华大学的李言祥研究组在教育部博士点基金的资助下开始相关研究,2005年,昆明理工大学周荣教授获得科技部973前期研究专项的资助,两校开始合作研究。几年来,研究取得了积极的进展。本文从①金属-气体共晶定向凝固装备;②金属-气体共晶定向凝固理论;③金属-气体共晶定向凝固藕状多孔材料等几个方面,全面介绍定向凝固金属-气体共晶的研究进展以及我们自己的相关研究成果。     

金属/氢共晶定向凝固制备GASAR多孔Cu-Cr合金

在0.6 MPa的纯氢气氛中,采用金属/氢共晶定向凝固技术,制备得到不同Cr含量的GASAR多孔Cu-xCr合金试样(x=0,0.3%,0.5%,0.8%,1.0%,1.3%(质量分数,%)),并研究了Cr含量对多孔Cu-xCr合金气孔率和气孔平均直径的影响规律。结果表明:随Cr含量的逐渐增大,氢在合金熔体中的溶解度相应增加,导致多孔Cu-xCr合金试样的气孔率缓慢增高;此外,随Cr含量的增加,受糊状区宽度变化的影响,气孔的平均直径呈先增大后减小的趋势。     

固-气共晶定向凝固法测定氢在金属熔体中的扩散系数

基于固-气共晶定向凝固技术和单相合金的定向凝固原理,提出一种测定氢在金属熔体中扩散系数的方法。以Cu-H2系为例,研究氩气分压和熔体过热度对氢在金属熔体中熔点处扩散系数的影响。结果显示,不同工艺参数条件下所获得的扩散系数差别很小,且采用该方法获得的氢在金属Cu熔体中温度相关的扩散系数方程与文献中采用实验方法获得的结果吻合得较好,并验证了该方法的可行性。除Cu-H2系外,还计算了氢在金属Mg、Si以及Cu-34.6%Mn合金熔点温度熔体中的扩散系数值以及温度相关的扩散系数方程。     

金属-气体共晶定向凝固制备藕状多孔金属的研究

金属-气体共晶定向凝固(Gasar)是一种制备规则多孔金属的新工艺.利用自行开发的Gasar装置,成功制备了具有规则气孔分布的藕状多孔金属Mg,并研究了铸型预热温度和气体压力等工艺参数对气孔率、气孔大小和分布的影响.结果表明:提高铸型预热温度可以完全消除无气孔金属壳;随着氢气压力的增大,铸锭的平均直径都在减小;在整个Gasar凝固中约有8%左右的氢气溢出.     

金属-气体共晶定向凝固工艺参数对藕状多孔金属镁结构的影响

利用自行丌发的Gasar装置，成功制备了具有规则气孔分布的藕状多孔金属Mg，并研究了铸型预热温度和气体压力等工艺参数对气孔率、气孔大小和分布的影响。结果表明：提高铸型的预热温度可以完全消除铸锭侧向的无气孔金属壳：随着氢气压力的增大，铸锭的气孔率和气孔平均直径都在减小、气孔的尺寸分布均匀性提高。     

定向凝固规则共晶生长相间距的选择

在Ｊａｃｋｓｏｎ和Ｈｕｎｔ共晶模型的基础上，通过准动力学分析考察了规则共晶生长相间的选择原理，给出了相间距存在的上，下限，发现下限对应于稳定性参数较小的相被淘汰的临界状态，上限对应于稳定性参数较大的相办面出现凹陷生成另一相的临界状态，共晶间的最可见分布对应于凝固系统相变自由参最低的状态。     

NiAl-Mo共晶复合材料定向凝固组织特性研究

采用定向凝固技术制备出两种不同成分的NiAl-Mo共晶复合材料,研究在不同抽拉速率下该合金的凝固组织特性.结果表明:46.59Ni-45.61Al-7.8Mo(at%,下同)合金在不同抽拉速率下都形成了亚共晶组织,初生的NiAl相呈树枝晶状,并且随着抽拉的进行,优先生长方向与热流方向不一致的枝晶被逐渐淘汰;随着抽拉速率的增加,NiAl相的枝晶间距也不断的减小.44.86Ni-46.3Al-9.01Mo合金在不同抽拉速率下皆形成以棒状Mo相镶嵌在NiAl基体中的共晶组织,随着抽拉速率的增加,Mo相的平均直径和平均棒间距有越来越小的趋势,在抽拉速率达到14 mm/h以上时,Mo相由连续的、排列均匀的棒状变为断续的、排列不均匀的棒状.     

Gasar工艺中金属-氢二元相图的研究

Gasar工艺中常用非气体化合物形成元素的金属与气体组成的二元系统在定向凝固时发生共生生长来制备规则多孔金属材料．本文分析了此类金属一气体二元系统的相图特点，对此类二元系统的相图计算的原理进行了探讨，并实际计算了Cu-H相图．     

熔体流动对Mg-H共晶二维定向凝固的影响

利用金属/气体共晶二维定向凝固的方法制备出放射状多孔金属.凝固过程中,气孔的生成使熔体体积膨胀,从而导致凝固界面前沿出现剧烈的熔体流动.Mg-H系实验结果显示,横向对流会影响气孔的生长方向,促进气泡逸出以及降低气孔分布的均匀性.通过合理的铸型结构设计以及选择适当的工艺参数,可以将剧烈而有害的横向对流限制至一个较低的程度,从而制得高质量的气孔均匀分布的放射状多孔镁.     

用金属/气体共晶二维定向凝固法制备放射状规则多孔Mg

采用热传导方向为径向的金属一气体共晶二维定向凝固方法（二维Gasar）,在纯氢和氢、氩混合气氛下制备了气孔沿径向规则分布的放射状多孔金属Mg．研究了放射状多孔金属结构的特点以及气体压力等工艺参数对孔隙率、孔径和气孔分布的影响．结果表明,在圆柱形试样的二维定向凝固过程中,金属一气体共晶形成的体积膨胀会在凝固前沿的液相中产生大的对流,影响气孔的生长方向和规则程度,同时还会导致气体的逸出．随混合气体中氩气分压的增大,逸出程度下降;当氩气分压大于氢气分压时,气体的逸出被完全抑止．由此可以准确地预测出放射状规则多孔金属的孔隙率．     

棒状共晶的凝固模型

基于定向凝固胞晶Ｓａｆｆｍａｎ－Ｔａｙｌｏｒ指的相似性，给出了棒状共晶凝固模型，和到了λ＾２Ｖ＝Ｄｐｄ０σｅｆｆ表述的相间距选择规律，并用ＭｎＳｂ／Ｓｂ共晶生长实验证实了模型的有效性。     

金属/气体共晶二维定向凝固放射状多孔Mg的结构特征

采用金属/气体共晶二维定向凝固法制备了放射状规则多孔金属Mg.通过建模分析了放射状规则多孔金属气孔分布(孔间距、孔径和孔数)的变化趋势,并论证了模型的合理性.从理论和实验两方面研究了凝固过程中气孔的中断、合并和新形核对各结构参数的影响.     

多孔Cu的气孔特性及其热力学数学模型

以氢共晶合金为对象,通过建立热力学数学模型,研究定向凝固工艺对氢共晶合金中气孔平均间距与直径的影响。结果表明,多孔Cu连铸试样中气孔的平均间距和直径随着下拉速率的增加而逐渐减小。下拉速率较小时,理论预测与实际测量结果存在明显差异。随着下拉速率的增加,两者的吻合度提高,预测效果较好。     

固/气共晶定向凝固中的工艺判据

气体压力和熔体过热度决定熔体中气体溶解量从而直接影响多孔试样的气孔率.通过理论分析建立了固/气共晶定向凝固中气体逸出和藕状多孔结构形成所需的过热度和气体压力判据.以金属/氢共晶为例,计算结果表明,过热度和氩气分压均应有一适中的范围:给定氢气和氩气分压时,过热度应高于藕孔形成临界过热度而低于氢气逸出临界过热度;给定过热度和氢气分压时,氩气分压应高于氢气逸出临界氩气分压而低于藕孔形成临界氩气分压.该分析结果从藕状多孔Mg的实验结果得到了验证,可以作为高质量规则多孔材料实际制备过程的工艺参数指导原则.     

定向凝固Al-40%Cu共晶合金的组织特性

利用垂直Bridgman法结合液态金属冷却法在恒定的液相温度梯度(GL=250 K/cm),凝固速率由2μm/s到490μm/s之间对Al-40%Cu合金进行定向凝固实验。结果表明:Al-40%Cu合金在低速下组织为全耦合的片层共晶结构,但当速率增加时,合金组织中出现一定量的初生Al2Cu相,凝固速率对合金共晶片层间距的影响通过实验结果分析。在实验的定向凝固速率范围内,发现平界面和胞状界面生长的两种共晶界面形态,并且不管是在哪种共晶界面形态下,共晶层片间距和凝固速率的关系都符合函数关系:λ2ν=常数,利用JH模型计算得到常数C的值为12.85μm3/s。     

模拟定向凝固生长速率对杆形Mn-Bi合金共晶间距的影响

为了深入了解定向凝固过程生长速率对杆形Mn-Bi合金共晶间距的影响，开展了试验和数值模拟研究工作，以期初步明确在地球上试验得到的杆形共晶间距和在外层空间(航天飞机上)同样试验条件下得到的杆形共晶间距发生变化这样一个事实的机理。在杆形MnBi共晶相和Bi基体生共前沿，用传盾方程计筑了Mn在合金液中的浓度场，得到了液、固两相间台式界面前沿Mn的等浓度曲线，进而依据Jackson-Hunt研究的理论模型计算出杆形共晶间距。试验和数值模拟的结果显示，规则生长时，随着Peclet数Λ的不断增加,杆形共晶间距逐渐减少，试验与模拟的结果吻合良好。Λ数还可在将来被用来模拟计算该合金凝固时非规则生长时的情况。     

Al—Cu共晶合金熔体中稀土Ce与氢的相互作用

研究了不同稀土Ce含量对共晶成分Al-33.2Cu (质量分数,％,下同）熔体氢含量的影响。结果表明：在相同的保温时间和保温温度条件下,稀土的加入增加了合金熔体的氢含量。750℃,保温20min,加入0．6的Ce,Al-Cu共晶合金熔体的氢含量由0．06mL/100g增至0．16mL/100g。研究了不同Ce含量Al-Cu共晶合金熔体氢含量随温度变化的规律。实验 温度分别为720℃,750℃,800℃和850℃,含0．6Ce的Al-Cu共晶合金熔体氢含量的值分别为0．14、0．16、0．23和0．29mL/100g。     

凝固模式对定向凝固多孔铜锰合金气孔结构的影响

采用金属-气体共晶定向凝固工艺（GASAR工艺）,制备气孔定向排列的多孔铜锰合金,并研究气孔结构的变化。结果表明：这种变化主要取决于合金的凝固模式（平面凝固、柱状胞晶凝固、柱状枝晶凝固、等轴枝晶凝固）,而合金凝固模式由合金的凝固过程决定。通过数值模拟发现,随着合金凝固的进行,合金的凝固模式从胞晶凝固向柱状枝晶凝固过渡,最终变为等轴枝晶凝固。通过升高合金熔体温度和铸型的预热温度,可以缩小等轴枝晶凝固的范围,扩大定向生长气孔的区域。     

定向凝固多孔Cu热沉传热性能的实验研究

利用定向凝固多孔Cu制备了气孔呈定向规则排布的多孔Cu热沉,对沿孔长方向长度20 mm热沉的传热性能进行了实验研究.实验结果表明,定向凝固多孔Cu热沉具有优异的传热性能,当气孔率为29%,平均孔径为400μm时,热沉的换热系数可以达到5 W/(cm~2·K),沿孔长垂直方向将定向凝固多孔Cu切割成沿孔长方向排列的2段后,其换热系数可以提高到6.5 W/(cm~2·K).这说明当定向凝固多孔Cu沿孔长方向的长度较大时,通孔率降低限制了热沉的传热性能.     

定向凝固过共晶Nb-Si基合金的组织优化

采用液态金属冷却定向凝固炉制备Nb-16Si-24Ti-10Cr-2A1．2Hf合金,凝固速率分别为1．2、6、18、36、50mm／min,随后对定向凝固速率为50mm／min的合金进行（1400℃,10h）,（1450℃,10h）和（1500℃,10h）的热处理。研究了定向凝固速率和热处理温度对合金微观组织的影响。结果表明：合金的定向凝固组织主要由沿着试棒轴向生长的初生Nb5Si3相和耦合生长的Nbss／Nb5Si3共晶胞组成,在共晶胞边缘,有少量的Cr2Nb存在。横截面上共晶胞边界明显,随着凝固速率的增加,定向凝固组织明显细化,Nbss／Nb;Si,共晶胞形貌也发生变化。合金经过热处理,Nbss连成基体,部分CrENb相熔解,微观成分偏析减小。经过（1450℃,10h1热处理,实现了对过共晶Nb—Si基合金的组织优化。