快速凝固作为一种先进材料制备和加工工艺,为新型结构与功能材料的研究与开发开辟了广阔的前景 ,此技术对晶粒细化有显著的效果。急冷和深过冷是实现熔体快速凝固行之有效的2条途径<1- 2>。采用深过冷快速凝固技术,其熔体生长不受外界散热条件控制,晶粒细化由熔体本身特殊的 物理机制所支配,它已成为实现三维大体积液态金属快速凝固制备微晶、非晶和准晶材料的一条有 效途径<3-5>。玻璃熔融法<6>是将具有一定体积的合金包覆在熔融玻璃中熔化并缓慢冷却 获得大过冷度的技术。该技术的理论依据是,通过熔融玻璃的粘性吸附作用和界面化学作用去除异 质核心。同时也由于小过冷条件下存在溶质再分配现象,在凝固过程中使异质物质排除出来,更有 利于熔融玻璃的粘附作用和界面化学作用,得到更好的净化效果。实验采用熔融玻璃与循环过热相 结合的方法对Al-Ce-Ni共晶合金进行研究。1实验内容及方法1.1粗晶的制备实验所用 材料分别为:99.9%纯Al、99.9%纯Ni、99.9%纯Ce。先在石墨坩埚电阻炉中 熔配Al-Ni中间合金,再将制备好的Al-Ni中间合金加热至720℃熔化后加入铈。保温 1.5h后,加入无钠精炼清渣剂。10min后,将合金液浇于金属型中得到粗晶。将粗晶分为 2组,其中一组进行450℃保温5h退火处理。1.2净化剂的制备用分析纯BaCl2、Mg Cl2、B2O3和Na2B2O7·10H2O分别配置:复合盐80%BaCl2+20%M gCl2(wt%);玻璃净化剂:80%B2O3+20%Na2O(mol%)玻璃和B2O 3玻璃。1.3细晶的制备在石英坩埚底部加入净化剂(约占石英坩埚体积的1/4),再在中部 放入粗晶(约占石英坩埚体积的1/4),后加入净化剂覆盖粗晶,留上部约1/4的空间。用N i-Cr丝将石英坩埚悬挂于自制电阻炉中,在氩气保护下加热至850℃保温5min,后降温 至560℃,再升温到850℃保温再降温,如此循环5次。完成后,打开电阻炉的下盖,剪断N i-Cr丝,熔体从底部落入水中。作者采用了不同的粗晶和不同的净化剂分别进行实验。2实验 结果与分析2.1预热处理对组织的影响在实验初期,对部分粗晶进行了450℃保温5h的预热 处理。图1为未热处理粗晶铸态组织,图2为热处理态粗晶组织。图1未热处理粗晶Al-13% Ce-6%Ni合金图2热处理粗晶Al-13%Ce-6%Ni合金由图1看出,未热处理Al -13%Ce-6%Ni粗晶组织:基体为α-Al相,其中粗大的枝状晶是镍的化合物,灰白色 片层状为铈的化合物。可以明显看出组织中含有粗大的枝晶,组织分布很不均匀。由图2看出,热 处理后的粗晶组织:基体为α-Al相,其中明亮的针状相为镍的化合物,灰白色的颗粒状为铈的 化合物。与未热处理粗晶相比,热处理态组织中的较大枝晶已经断裂、碎化和球化,组织比较均匀 。2.2熔体净化与循环过热对合金组织的影响采用熔融玻璃与循环过热相结合的方法对两种粗晶 进行细化处理,实验结果如下:未热处理粗晶采用B2O3玻璃净化与循环过热相结合方法制得的 细晶组织:基体为α-Al相,长条状相是镍的化合物,明亮的颗粒为铈的化合物(图3)。与热 处理后采用相同条件进行处理所得组织(图4)相比:未热处理的组织中长条状相粗大,基体α- Al相也粗大。表明在相同条件(
循环过热850℃×5min与净化剂)下,经热处理粗晶的细 化组织比未热处理粗晶的细化组织要细小均匀。2.3复合熔盐净化与玻璃净化的比较经热处理的 粗晶在分别采用复合盐80%BaCl2+20%MgCl2、80%B2O3+20%Na2O 玻璃、B2O3玻璃进行净化所得细化组织如图4、图5和图6所示。图3未热处理、B2O3玻 璃净化图4
热处理、B2O3玻璃净化图5热处理、复合盐净化图6热处理、80%B2O3+2 0%Na2O玻璃净化相同条件(热处理粗晶、循环过热850℃×5min)下,采用复合盐净 化所得细晶组织极为细小均匀,基体为α-Al相,明亮的颗粒相排列规则有序,推测其为三元共 晶组织(见图5)。80%B2O3+20%Na2O玻璃净化时细晶组织比较细小,但分布不均 匀,基体为α-Al相,絮状为共晶组织(见图6)。而采用B2O3玻璃净化时细晶组织最为粗 大(见图4)。2.4玻璃净化效果不明显原因分析玻璃净化剂的主体是B2O3,在450℃时 式4Al+3O2=2Al2O3反应的标准吉布斯自由能为ΔG1=-2896900J·mo l-1·K-1;式4B+3O2=2B2O3在450℃反应的标准吉布斯自由能为ΔG2=- 2152711J·mol-1·K-1;式Al+B2O3=B+Al2O3反应在450℃时 的标准吉布斯自由能为ΔG3=ΔG1-ΔG2=-744189J·mol-1·K-1<0, 所以式Al+B2O3=B+Al2O3反应是可能的<7>。采用玻璃净化剂制备的细晶从外观 上看,已与合金互相搀杂,当用晶界腐蚀剂腐蚀其表面时,表面迅速发黑,基本观察不到晶粒。所 以,虽然熔融玻璃对Cu、Ni、Ag、Fe等非活泼金属为基的合金能起到良好的净化效果,对 Al、Mg等活泼金属为基的合金,熔融玻璃并不理想。3结论1)在相同条件(循环过热850 ℃×5min、
净化剂)下,经450℃保温5h预热处理的粗晶其细化组织比未热处理的粗晶细 化组织要细小均匀。2)在相同条件(预热处理、循环过热850℃×5min)下,复合盐80 %BaCl2+20%MgCl2对粗晶的净化效果最好,组织最为细小均匀。3)在相同条件( 预热处理、循环过热850℃×5min)下,用80%B2O3+20%Na2O玻璃净化粗晶 的效果比用B2O3玻璃要好。4)450℃保温5h退火处理后的Al-13%Ce-6%Ni 合金采用玻璃净化与循环过热相结合的方法所得细化合金,组织较均匀细小,深过冷效果较明显。 依据本研究的结果及有关文献<8-9>初步推测,对活泼金属Al、Mg等为基的合金而言,由于高温下玻璃要与合金发生反应,熔融玻璃并不是该类合金最理想的净化剂。Al-Ce-Ni共晶合金块体金属的净化与组织细化@薛寒松$重庆大学机械工程学院!重庆400044
@李华基$重庆大学机械工程学院!重庆400044
@胡慧芳$重庆大学机械工程学院!重庆400044
@饶劲松$重庆大学机械工程学院!重庆400044Al-Ce-Ni合金;;热处理;;净化剂 ;;循环过热;;深过冷以Al-Ce-Ni共晶合金作为研究对象,采用熔体净化剂与循环过热 相结合的方法净化合金,循环过热通过高温效应熔解、钝化异质形核质点,熔体净化剂通过化学溶 解、物理化学吸附及其组元与异质形核衬底的化学反应去除异质形核质点与衬底,并减缓金属熔体 的氧化。实验中使用不同的净化剂进行研究,发现使用80%B2O3+20%Na2O(mol %)净化,在850℃×5min循环过热,熔体发生深过冷的效果最好。<1>周尧和.凝固技术
.北京:机械工业出版社,1998.
<2>张玉龙,李长德.纳米技术.北京:中国轻工业出版社,2002.
<3>宋广生,杨根仓,张振忠.纳米晶Al88Ce2Ni10铝合金的形成.中国有色金属学报,1997,7(2):86-89.
<4>NIKOLAYA,BELOV.CastingAlloysoftheAl-Ce-Ni System:MicrostructualApproachtoAlloyDesign.Mate rialsScienceandEngineering.1999,27(1):134-142.
<5>SKDAS.UndercoolingandFormationinAl-basedA lloys.MaterialsScienceandEngineering.2001,304(3):159-165.
<6>张振忠,宋广生,杨根仓.深过冷净化的影响因素及工艺优化.铸造技术,1999,22(3):40-43.
<7>杜清枝.物理化学.重庆:重庆大学出版社,1997.
<8>蒲健,王敬丰,肖建中.深过冷合金中的非平衡现象分析.材料导报,2002,16(7):24-26.
<9>张振忠,宋广生,杨根仓.块状金属纳米材料的制备技术进展及展望.兵器材料科学与 工程,1999,22(3):46-51.重庆大学基础应用基础研究基金项目(717411 024)?深过冷效果较明显。依据本研究的结果及有关文献<8-9>初步推测,对活泼金属A l、Mg等为基的合金而言,由于高温下玻璃要与合金发生反应,熔融玻璃并不是该类合金最理想 的净化剂。Al-Ce-Ni共晶合金块体金属的净化与组织细化@薛寒松$重庆大学机械工程学院!重庆400044
@李华基$重庆大学机械工程学院!重庆400044
@胡慧芳$重庆大学机械工程学院!重庆400044
@饶劲松$重庆大学机械工程学院!重庆400044Al-Ce-Ni合金;;热处理;;净化剂 ;;循环过热;;深过冷以Al-Ce-Ni共晶合金作为研究对象,采用熔体净化剂与循环过热 相结合的方法净化合金,循环过热通过高温效应熔解、钝化异质形核质点,熔体净化剂通过化学溶 解、物理化学吸附及其组元与异质形核衬底的化学反应去除异质形核质点与衬底,并减缓金属熔体 的氧化。实验中使用不同的净化剂进行研究,发现使用80%B2O3+20%Na2O(mol %)净化,在850℃×5min循环过热,熔体发生深过冷的效果最好。<1>周尧和.凝固技术.北京:机械工业出版社,1998.
<2>张玉龙,李长德.纳米技术.北京:中国轻工业出版社,2002.
<3>宋广生,杨根仓,张振忠.纳米晶Al88Ce