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摘要
合金熔体结构对其凝固合金的组织和性能有着显著的影响,电阻率作为金属熔体结构的敏感物理性质之一,在研究熔体结构方面起着非常重要的作用,它反映了电子的输运性质。合金熔体内部结构的变化（成分起伏,浓度起伏,能量起伏）会引起其物理性质,如电阻率的变化,同时偏晶体系合金中液相分离的发生伴随熔体内的浓度起伏,随着对金属液态结构研究的不断深入,科研者们逐渐通过对熔体的物性敏感参数测量来揭示偏晶合金的液相分离现象,可以得出其液相分离温度、偏晶反应温度,进而绘出难混溶区的形状。特别是三元及以上偏晶合金的液相分离机制更加复杂,目前缺乏精确的相图,所以可以通过测量合金熔体的物理性质随温度的变化来研究三元偏晶合金的液相分离过程,为研究偏晶合金液-液相变提供了新的有效方法,对后期偏晶合金的制备具有积极的指导作用。本文通过直流四电极方法研究了不同成分的Al-In-Sn偏晶合金和Al-Bi-Sb偏晶合金的电阻率温度特性,探索了偏晶合金熔体的不均匀性特征,解释了液相分离现象。对各成分合金做了DSC分析,对其热力学性质进行表征,进一步验证电阻率温度特性。基于电阻率实验结果,选取液相分离温度以上800℃、850℃、900℃（Al-In-Sn体系）和960℃、1000℃（Al-Bi-Sb体系）作为凝固实验的合金熔炼和浇铸温度,探索了熔体温度对Al-In-Sn偏晶合金和Al-Bi-Sb偏晶合金液相分离过程和凝固组织形貌的影响,并就某一特定温度详细探讨了合金成分对两种三元偏晶合金凝固组织形貌的影响。对于Al-In-Sn偏晶合金,通过浇铸在不同模具中,探究了冷却速率对凝固过程和凝固组织形貌的影响。对两种体系的偏晶合金通过绘制凝固过程示意图,对其凝固过程机理进行了详细地分析。通过SEM、EDS、XRD分析了合金的宏观组织、微观形貌、相组成与成分。研究结果表明:三元Al-In-Sn偏晶合金ρ-T曲线在偏晶反应温度以上的附近区域出现了非线性变化,与DSC曲线上转变点在一定误差范围内能很好地吻合起来,证明了液相分离的发生。三元Al-Bi-Sb偏晶合金在升温过程中其ρ-T曲线发生了两处明显的异常变化,有一个向上的尖峰和凸起的包状出现,且都对应于DSC曲线上独特的、不同高度的峰,表示偏晶反应和液相分离的发生。由液相分离引起的两种偏晶合金ρ-T曲线和DSC曲线的变化归因于熔体内部的浓度起伏,Sn和Sb的加入降低了Al-In和Al-Bi的偏晶反应温度。位于难混溶区内的Al-In-Sn偏晶合金在凝固过程中会发生液相分离,浇铸于铜模中能形成核壳结构。合金成分是通过改变Al-In-Sn偏晶合金熔体中两种富集液相体积分数来影响凝固组织形貌的,较小体积分数富集相一般形成核心。熔体温度的升高增加了体系的界面能,增大了温度梯度,加快了第二相液滴的Marangoni对流速率,大大缩短了运动时间,有利于Al-In-Sn偏晶合金规则核壳结构的形成。快的冷却速率也有利于Al-In-Sn偏晶合金凝固组织中核壳结构的形成。Al-Bi-Sb偏晶合金浇铸于铜模中形成了灰白色的富Bi相包裹黑色富Al相的核壳结构形貌,由于该体系中Stokes效应显著,其核壳结构并没有像Al-In-Sn偏晶合金那样随着成分呈规律地变化,并且不同成分所受Stokes效应影响不同,这和不同成分的Al-Bi-Sb偏晶合金的难混溶区间的宽窄也有一定的关系。熔体温度的升高增加了Al-Bi-Sb偏晶合金中富Al相的Marangoni运动速率和Stokes运动速率,使富Al液相能够运动到试样中心位置。
- 出版日期2017
- 单位济南大学
