定向凝固Sn-Ni包晶合金糊狀區(qū)熔化與凝固行為.pdf

1、本文以初生相Ni3Sn2和包晶相Ni3Sn4均為具有小固溶度有序金屬間化合物的Sn-Ni包晶合金(L+Ni3Sn2+Ni3Sn4)為研究對(duì)象,采用Bridgman法定向凝固工藝研究其在高溫度梯度下靜態(tài)糊狀區(qū)與動(dòng)態(tài)糊狀區(qū)內(nèi)的熔化與凝固行為及其對(duì)凝固組織的影響規(guī)律。
　　在定向凝固Sn-36at.％Ni包晶合金的靜置熱穩(wěn)定處理過程中,在未熔固相區(qū)與完全液相區(qū)間,形成對(duì)應(yīng)一定凝固區(qū)間的固液共存的靜態(tài)糊狀區(qū)。此靜態(tài)糊狀區(qū)可分為初生相靜態(tài)糊

2、狀區(qū)與包晶相靜態(tài)糊狀區(qū),前者與完全液相區(qū)之間界面為定向凝固初始固/液界面。隨靜置熱穩(wěn)定處理時(shí)間的延長(zhǎng),糊狀區(qū)內(nèi)液相體積分?jǐn)?shù)逐漸減小,固相沿溫度梯度方向排列;同時(shí),初始固/液界面下移至低溫位置且逐漸平直。而包晶反應(yīng)溫度TP處的初生相靜態(tài)糊狀區(qū)/包晶相靜態(tài)糊狀區(qū)界面出現(xiàn)“平滑”→“曲折”→“平滑”的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。這是因?yàn)闇囟忍荻鹊拇嬖跁?huì)引起溫度梯度區(qū)域熔化效應(yīng)(TGZM:Temperature gradient zone melting),引起

3、糊狀區(qū)內(nèi)不同位置發(fā)生熔化或凝固現(xiàn)象。
　　基于質(zhì)量守恒定理,計(jì)算了靜置熱穩(wěn)定處理過程中Sn-36at.%Ni包晶合金初始固/液界面前沿完全液相區(qū)中的溶質(zhì)濃度。與其他合金系的對(duì)比表明:Sn-Ni包晶合金具有較大的凝固區(qū)間及初生相/包晶相與液相溶質(zhì)濃度差,所以完全液相區(qū)的溶質(zhì)濃度與合金初始濃度差異較大。相比將包晶兩相設(shè)為完全無(wú)固溶度的金屬間化合物,當(dāng)考慮初生相與包晶相的固溶度時(shí),完全液相區(qū)的溶質(zhì)濃度與合金初始濃度差異較小,更符合實(shí)際情

4、況。此外,靜置熱穩(wěn)定處理過程中,在固/液界面前沿液相中發(fā)現(xiàn)Ni原子的貧乏區(qū),由于溶質(zhì)對(duì)流的影響,隨著靜置熱穩(wěn)定處理時(shí)間的增加,此貧乏區(qū)逐漸消失,固/液界面前沿液相溶質(zhì)分布更加均勻。
　　研究了不同靜置熱穩(wěn)定處理時(shí)間對(duì)定向凝固Sn-36at.%Ni包晶合金后續(xù)定向凝固組織的影響。在常用的靜置熱穩(wěn)定處理時(shí)間范圍內(nèi),Sn-36at.%Ni包晶合金,定向凝固初始固/液界面均為非平界面,定向凝固包晶合金中各相的凝固順序及生長(zhǎng)機(jī)制也未發(fā)生改變

5、。生長(zhǎng)速度為v=1μm/s時(shí),Ni/Sn原子的貧化/富集程度越大,越容易長(zhǎng)成枝晶形態(tài),即生長(zhǎng)過程的有序程度增大。而v=10μm/s時(shí),Ni/Sn原子的貧化/富集程度越大,越容易長(zhǎng)成發(fā)達(dá)枝晶形態(tài),即生長(zhǎng)過程的無(wú)序程度增大。
　　在定向凝固Sn-36at.%Ni包晶合金動(dòng)態(tài)糊狀區(qū)凝固組織中觀察到了明顯的二次枝晶粗化現(xiàn)象,同時(shí)發(fā)現(xiàn)包晶反應(yīng)明顯抑制了粗化過程。為了解釋此現(xiàn)象,提出了耦合包晶反應(yīng)與Gibbs-Thomson效應(yīng)的二次枝晶粗化

6、模型,并進(jìn)行了合理解釋。利用二次枝晶間距(λ2)與枝晶比表面積(SV)表征了動(dòng)態(tài)糊狀區(qū)內(nèi)的粗化過程,而且通過上述表征參數(shù)也可確定實(shí)際凝固過程中的包晶反應(yīng)程度。通過模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較可知:比表面積SV較之λ2更適合作為表征參數(shù)。
　　在定向凝固Sn-36at.%Ni包晶合金動(dòng)態(tài)糊狀區(qū)內(nèi)也觀察到由溫度梯度引起的TGZM效應(yīng)導(dǎo)致的二次枝晶臂上的熔化/凝固現(xiàn)象;而且發(fā)現(xiàn)當(dāng)存在三次枝晶臂時(shí),在兩二次枝晶臂間液相上方二次臂上發(fā)現(xiàn)一“鋸

7、齒狀”形貌。提出了描述三次枝晶臂存在時(shí)二次枝晶臂上的熔化/凝固模型,可很好的表征三次枝晶臂對(duì)二次枝晶臂遷移的影響。同時(shí)發(fā)現(xiàn)包晶反應(yīng)越完全,這種“鋸齒狀”形貌越明顯。
　　針對(duì)定向凝固包晶合金動(dòng)態(tài)糊狀區(qū)內(nèi)的“分離式包晶反應(yīng)”現(xiàn)象,提出了耦合包晶反應(yīng)、Gibbs-Thomson效應(yīng)及TGZM效應(yīng)的分離式包晶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。基于溶質(zhì)守恒提出了考慮固相反擴(kuò)散與枝晶粗化并耦合TGZM效應(yīng)的動(dòng)態(tài)糊狀區(qū)二次枝晶臂間微觀偏析模型。合理描述了二次枝

8、晶臂間的微觀偏析。通過實(shí)驗(yàn)與模型計(jì)算結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn):在高溫度梯度作用下,耦合TGZM效應(yīng)對(duì)二次枝晶臂間的微觀偏析的計(jì)算有很大影響。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果,當(dāng)僅考慮Gibbs-Thomson效應(yīng),而未耦合TGZM效應(yīng)時(shí),包晶反應(yīng)抑制了粗化過程的進(jìn)行,即促進(jìn)了微觀偏析。而當(dāng)耦合Gibbs-Thomson效應(yīng)與TGZM效應(yīng)后,二次枝晶臂間的微觀偏析會(huì)得到抑制。
　　在定向凝固Sn-22at.%Ni包晶合金動(dòng)態(tài)糊狀區(qū)內(nèi)發(fā)生了領(lǐng)先相的轉(zhuǎn)變,平衡凝