第�卷第�期中国‘稀土学报!!∀年!月稀土元素在#∃一%&合金中的分布及对结晶组织的影响王武舒光冀何德坪∋东南大学材料科学与工程系南京(∀∀�)应川控制凝固技术研究了定向凝固条件下#∃一%&合金的凝固过程,并着重考察了稀土在合金中的分布及对结晶组织和枝晶间距的影响。结果表明,微量稀土元素不溶于戊一#∗,而多在枝晶边界富集+加人稀土元素增大了合金熔体的组成过冷,较显著地影响合金的结晶形貌,并使枝晶间距减小。#∃一%&合金作为防锈材料已得到广泛应用。研究发现,加人稀土元素可使材料的塑性变形抗力减小,材料的综合力学性能和表面光亮度提高。为了探索稀土元素的作用机制,本文采用受控凝固方法着重研究合金的单向凝固特性,考察其凝固过程中晶体生长方式及稀土元素的影响。一、实验方法原材料选用高纯铝锭#,,,∋−!.!/),高纯镁锭∋−!.!0/)以及条状∋中�.�一�.122混合稀土金属∋34−56/,杂质7(/)。将铝锭在石墨增祸电阻炉内熔化,过热至1�∀℃后依次加入镁和稀土。为减少合金液氧化和镁等元素的烧损,在熔液表面加复盖剂,并加入微量脱氧能力较强的金属元素。合金液充分搅拌后浇铸成中086∀22棒料,车削至中(96∀22备用。各试样的合金成分根据实验要求配制。增祸材料为刚玉,尺寸为中外09中内(9(∀22。合金的凝固实验在自制的单向凝固装置上进行。实验开始,将柑祸升至凝固炉内并使柑祸内试样熔化。达到热稳定后,启动机械传动系统使增祸以一定速率下降,并同时加强对增祸底部的冷却,使试样自下而上单方向结晶生长。使用液淬法获得所需时刻的固一液界面及组织形态。在不同的凝固条件下,合金的凝固生长方式不尽相同。对于具有非小面生长特性的二元单相合金,假设溶质元素在固相无扩散,液态有限扩散、无对流,则在凝固过程进入稳态后,保持平界面前沿凝固的条件为〔’〕:;<=>−一2<3。∋∃一?)=?≅<其中;<为固一液界面处液体中的温度梯度,>为凝固生长速度,2<为液相线斜率,3。为合金成分,?为溶质平衡分配系数,≅<为溶质在液相中的扩散系数。近似取2<一6!�(,Α=ΒΧ,,,,?一∀.5(0∋(,,并取Δ<一6又∀一,Α2Ε=Φ‘,〕,则可求得不同溶质含量时保持平界面所需的临界;<=>值。对于不同成分的合金,根据各自的实验要求选取如表∃所列的凝固参数。稀土元素在#∃一%&合金中的分布及对结晶组织的影响(6�表凝固参数的选取合金成份凝固参数;=>临界值,℃·Γ=Α2Ε—;<,℃=42>,Α2=6;<=>,℃·Γ=42凝固方式5,18∃,科!乃08一∀5平界面6石Γ8∃,一51刀Γ8∃,5胞状�68一。一�(,!18∀5树枝状叹Η∀∀55#∗一∀.6/%&#∗一.∀/%&∀.�∀08∀6.0(8∀6#∗一5.6/%&1(56火∀6二、实验结果与分析∋一)稀土元素在合金中的分布配制的合金成分为#∗Ι5.6/%&,当;<=>值为(.!18∃扩℃·Φ=Α2“时,试样以树枝晶方式结晶生长。在各炉次的试样中分别加人∀.�和∀.0ΒΧ/>ϑ,采用日立Φ一6∀电子显微镜和ϑ≅#Ε一&∃,9射线能谱仪对各试样的树枝晶组织进行微区成分分析。结果表明,在>ϑΚ∀.�和∀.0ΒΧ/的试样中,树枝晶的主干中心部位及枝晶中心部位都未检出稀土元素,而在枝晶端部前面的液相中,稀土含量高于合金的平均加入量∋分别为(.1∀和(.1!ΒΧ/)。在枝晶边界处发现钵元素大量富集,其含量分别为(.�和(.(1ΒΧ/。这说明稀土元素基本不溶于犷#∃,在合金凝固过程中固液界面前沿的液相中有稀土元素的富集,而在已全部凝固的部位,稀土元素都存在于枝晶边界处。∋二)稀土元素对合金凝固方式的影响以#∃Λ.6/%&、#卜.∀/%&和#∃一6/%&三种合金为基,分别加入不同量的稀土元素,控制;<=>一!.∀0�8∀Χ·6=Α∃ΔΕ,#∃刁.6/%&合金试样以平界面方式结晶生长。图∃Μ为其固液界面的金相照片,图中界面并非绝对平坦,而是呈现一些类似正弦曲线的波动,这可能是由于系统内部或外部的微扰动所致。在相同的凝固条件下,该成分的合金中加入∀.ΓΒΧ/>ϑ后,其固液界面如图∃Ν所示。此时界面的结晶方式已失稳,结晶组织为顶端较为平坦的柱状晶。当;<=>为1.∀68∀5℃·Γ=Α∃ΔΕ时,#∃一.∀/%&合金以胞状方式凝固结晶。在不加稀土的情况下,固液界面处的结晶组织如图Α所示,固相为较规则的胞晶组织,胞晶顶端圆整,且较平齐地向液...
