合金凝固理论.docVIP

高压作用下合金凝固的研究进展 摘要：综述了高压作用下合金凝固的研究现状，重点介绍高压作用下晶粒形核、长大模型、溶质扩散等理论模型，以及高压在材料制备中的应用，最后对高压作用下的合金凝固过程的研究进行了评价与展望。 关键词：合金；凝固；高压；理论模型 0引言 金属凝固过程直接决定凝固组织的大小、分布及相组成，进而决定了铸件的各种性能。优质铸件的获得，必须对凝固过程加以控制，这一领域的研究长期以来一直是材料工作者关注的热点领域。为了控制金属凝固过程，传统的方法是通过调节温度参数来改变凝固组织，而对于影响凝固过程的另一个热力学参数——压力，通常忽略它的作用。其实，压力作为凝固过程参数空间中的一维，往往对凝固过程的发生及进程产生重大影响，甚至可以改变常规条件下的相变顺序，从而有利于一些新相或新材料结构的生成[1,2]。与常规挤压铸造研究不同的是，高压作用下的金属凝固过程突破了常规挤压铸造的压力范围(小于几百兆帕)，其压力可高达10～100GPa，在如此高的压力作用下，凝固过程的热力学参数、动力学参数都随压力而改变，从而影响了凝固过程[3,4]。与快速凝固、微重力、电场、磁场作用下的凝固相同，高压作用下的凝固也属特殊条件下的凝固研究范围，本文将这一领域的研究现状进行介绍，并对未来的发展加以展望[5-10]。 l高压作用下合金凝固机理 在常压作用下的金属凝固过程中，起主导作用的参数是熔体温度，此时压力对凝固动力学和热力学参数产生的影响可以不计，但在高压条件下，由于压力与温度变得同等重要，压力变成一个不可忽略的因素。 压力通过影响凝固动力学参数、热力学参数，最终改变了微观组织演变机制，从而丰富了凝固理论的研究范围。 1.1 高压对熔体粘度、熔点的影响 高压作用会对熔体中原子的运动产生重要影响，从而改变熔体的粘度，通常压力P与熔体粘度之间满足下面的关系[11]： (1) 式中： 为常压下的粘度系数，E为粘滞流变激活能，V为熔体体积，K为玻尔兹曼常量，N为阿伏加德罗常数，T为绝对温度，P为作用在熔体上的压力。 式(1)表明，熔体的粘度系数随压力升高而增加，使得金属原子的自由行程受到限制。将描述液一气的克拉珀龙引入到高压作用下的固一液转变过程，可以得到： (2) 式中： 为物质的熔点，为熔化时体积的变化，为热焓，压力改变时该值的变化可以忽略。 则式(2)表明，物质熔点随压力的变化受固液相变体积变化的影响，当熔化过程为膨胀反应时，熔点随压力增加而升高；当熔化过程为压缩反应时，熔点随压力增加而减少。 1.2高压作用下溶质扩散模型 高压作用下，溶质扩散系数可以描述为[12]： (3) 式中：为气体常数，为原子自由行程长度，为液相初始体积。 该式表明，溶质扩散系数受原子自由行程长度和压力的影响，在增加压力时，原子自由行程长度将减小，两者都将使溶质扩散系数减小，可见高压将抑制溶质扩散。 金属凝固过程中溶质扩散起到重要作用，析出的溶质将富集在固液界面附近，随之引起界面出现成分过冷现象。由于高压抑制溶质扩散，将导致凝固界面的溶质富集程度加剧，增大凝固过程的过冷度，从而对晶粒形核与长大都产生重要影响，改变凝固过程的微观组织演变机制。但从另一个角度，由于高压作用导致凝固过程的深过冷，溶质来不及析出，也可能使得偏析现象得到改善，获得溶质分布均匀的凝固组织。 1.3高压作用下晶粒形核模型 在结晶学中，对于单组份的物质或一致熔化的化合物，忽略转变时间的影响，其均匀成核速率可表示为[13]： （4） 式中：，为常数，为熔化潜热，为相对过冷度，为常压下晶化激活能，为原子体积，G为成核激活能。显然，G越小，成核速率越大，将其对P求偏导，可得 (5) 与前两项相比，最后一项为一较小量，可忽略不计。因此，上式的值由前两项决定。当熔化为膨胀反应时，如果有2/5，由于压力使结构趋于有序化，则式(5)前两项均为负值，形核率随压力增加而迅速增大；而当2/5时，形核率随压力增加比较复杂，当式中第二相起主导作用时，形核率随压力增加而增大，而当第一项起主导作用时，形核率随压力增加而减小。压缩反应的形核率变化规律与膨胀反应相反。 1.4高压作用下晶粒长大模型 晶体的生长速度可以表达为[11]： (6) 式中：为原子间距，D为扩散系数，是与界面状况有关的因子，表示界面上适合于生长的位置在整个界面中所占的比例，△G为液固两相自由能差。 式(6)中，△GRT，则上式可以简化为。熔化时为膨胀反应的合金在凝固过程中，一方面增加压力导致原子间距减小，另一方面压力增加抑制扩散，一般情况下，原子扩散占主导作用，故晶粒长大受到抑制；而对于熔化时为压缩反应的合金凝固，压力总是抑制晶粒长大。 2高压作用下材料研究 从高压作用的合金凝固机理可知，高压具有促进形核、