穩(wěn)恒磁場對Al-10Ni合金凝固組織及結(jié)晶取向的影響
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作者：鄭曉蒙
Al-Ni合金是一種重要的輕型結(jié)構(gòu)材料，具有良好的鑄造性能以及高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能。Al3Ni相屬于高溫相，在高溫條件下具有良好的力學(xué)性能，若將其作為Al-Ni合金中的增強相，必定會大幅度提高合金的高溫性能。但是在傳統(tǒng)鑄造工藝條件下，Al3Ni相大體呈板條狀分布，嚴重影響了合金的綜合力學(xué)性能。Al3Ni相沿一定方向定向排列，可作為提高Al-Ni合金力學(xué)性能的一種有效手段，但是在凝固過程中如何實現(xiàn)Al3Ni相的定向排列仍需進一步研究。
近年來，磁場在材料學(xué)研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并逐漸成為一種控制材料結(jié)構(gòu)和性能的手段。研究表明，在Al-Ni合金的凝固過程中施加穩(wěn)恒強磁場，可獲得取向排列的組織。MIKELSON等發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)恒磁場能夠使過共晶Al-Ni合金中的Al3Ni相垂直磁場定向生長的現(xiàn)象，但未進行深入和系統(tǒng)的研究。近年來，王暉、李喜等發(fā)現(xiàn)Al-Ni合金在磁感應(yīng)強度為10 T的強磁場中凝固時出現(xiàn)取向組織的現(xiàn)象，并且在垂直磁場方向上，Al3Ni初生相發(fā)生了聚合，形成了層間距基本相同的分層組織。王忠英等也發(fā)現(xiàn)了11.5T均恒強磁場能夠使Al3Ni初生相均勻分布，在平行于磁場方向的截面上Al3Ni初生相沿垂直于磁場方向發(fā)生定向排列。雖然10 T以上強磁場作用下Al3Ni相具有組織取向，但是有關(guān)微小強度磁場的研究甚少，并且微小強度磁場對控制晶體取向和定向排列有重要的研究價值。因此，本課題研究了磁感應(yīng)強度為0～1.5T的穩(wěn)恒磁場對Al-10Ni合金凝固組織和結(jié)晶取向的影響。
1 試驗方法
采用純度為99. 99%（質(zhì)量分數(shù)，下同）的純Al和99. 9%的純Ni在坩堝電阻爐中熔配出Al-10Ni合金。合金完全熔化后，用石墨棒充分攪拌，使金屬液成分均勻，在850℃保溫15 min，攪拌均勻后澆注到ф36 mm×85 mm的石墨鑄型中，獲得成分均勻的合金試棒。再將預(yù)熱的試棒放人剛玉模具中，在坩堝電阻爐中進行重熔，其中剛玉模具的內(nèi)外徑分別為ф36 mm及ф40 mm，高度為70 mm。為了減緩冷卻速度，同時增加磁場的作用時間，剛玉模具外表面包有3層隔熱保溫材料。重熔試棒完全熔化后，在850oC保溫15 min，然后從坩堝電阻爐中將剛玉模具連同合金熔體一起取出，放在穩(wěn)恒磁場凝固裝置中且位于磁極的中心部位，立即啟動磁場裝置直至合金完全凝固。調(diào)節(jié)勵磁電流的大小可以得到不同強度的磁場，試驗中所用的磁感應(yīng)強度分別為o．3、0.6、o．9、1.2和1.5．T。由于Al-Ni合金凝固過程中可能會產(chǎn)生成分偏析，所以對一次熔煉和重熔后試棒的不同部位進行EDS分析，每個部位取多個區(qū)域，最后取平均值，結(jié)果見表1。
穩(wěn)恒磁場凝固裝置主要包括磁極、剛玉坩堝、金屬熔體和耐火磚，見圖1。
將制備好的試樣從中部沿平行于磁場方向剖開，經(jīng)研磨、拋光后，采用體積分數(shù)為o．5%的HF酸水溶液進行化學(xué)腐蝕，數(shù)碼相機拍攝試樣的宏觀組織，光學(xué)顯微鏡觀察試樣的微觀組織，X射線衍射儀測定試樣的衍射圖譜。
2 試驗結(jié)果及分析
2.1 穩(wěn)恒磁場對合金凝固組織的影響
圖2為無磁場和穩(wěn)恒磁場作用下Al-10Ni合金的宏觀凝固組織。圖2中灰黑色條狀物為Al3 Ni初生相，黑色孔洞為凝固缺陷。由圖2可知，在無磁場條件下，Al3 Ni相分布不均勻，且取向很混亂；經(jīng)過磁場處理后，雖然左半部仍出現(xiàn)了取向混亂的AI3 Ni相，但是Al3Ni初生相總體分布變得均勻，同時發(fā)生了定向排列。
圖3為不同磁感應(yīng)強度下Al-10Ni合金的微觀組織。無磁場條件下，Al3Ni相無方向性的分布在基體中；當磁感應(yīng)強度為0.3 T時，鏈狀的Al3 Ni析出相開始逐漸按同一個方向有規(guī)律的排列，但鏈與鏈之間的距離不太規(guī)則，見圖3b；當磁感應(yīng)強度為o．6 T時，鏈狀的Al3 Ni晶體大多數(shù)都在同一個方向，有相互平行的趨勢，見圖3c；當磁感應(yīng)強度為0.9 T時，Al3 Ni相形成了多條相互平行的鏈狀，并且鏈與鏈之間的距離比較均勻，見圖3d；當磁感應(yīng)強度大于0.9 T時，隨著磁感應(yīng)強度的增加，鏈間距減小，定向排列趨勢更加明顯，Al3 Ni相緊密靠近形成多條相互平行的鏈狀，類似“水簾”，且鏈與鏈之間的距離幾乎相等。
在磁場的作用下，熔體中析出的每一個微小的初晶都被磁化成一個小磁體。由于磁場的洛倫茲力以及磁體之間的作用，小磁體會發(fā)生一定的旋轉(zhuǎn)。在試驗中，凝固最初時刻熔體中析出的Al3 Ni晶體是隨機分布的。無磁場時，由于熔體內(nèi)部對流速度大于擴散速度，所以熔體內(nèi)部的溶質(zhì)再分配主要通過對流傳質(zhì)控制。在未施加磁場的條件下，對流也沒有特定的方向，因此形成的Al3 Ni析出相仍是無方向性、散亂的分布；而在穩(wěn)恒磁場的作用下，一方面，熔體內(nèi)部的對流被抑制，此時熔體內(nèi)部的溶質(zhì)再分配通過擴散傳質(zhì)控制。由于擴散在垂直于磁場的方向上受到抑制，在平行于磁場的方向上保持不變，因此會形成一個濃度梯度場。此時熔體內(nèi)局部區(qū)域會產(chǎn)生較大的濃度起伏，所以Al3 Ni晶核依次形核、長大，最終出現(xiàn)了定向排列的鏈狀A(yù)l3 Ni相。另一方面，Al3 Ni晶體被磁化后在力矩和磁能積的作用下會發(fā)生旋轉(zhuǎn)。若Al3 Ni晶體旋轉(zhuǎn)的同時，它們之間的間距在一個有效范圍內(nèi)，Al3 Ni晶體會沿著磁場的方向發(fā)生定向排列聚集。在聚集的過程中Al3 Ni析出相長大到一定的尺寸時，晶體之間可能會相互接觸，那么定向排列聚集過程會受到阻礙，一旦Al3 Ni晶體在磁場中所受的合力達到平衡時，定向排列聚集長大的過程就會結(jié)束，因此最終呈現(xiàn)出Al3 Ni析出相緊密靠近形成了相互平行的鏈狀，也就是所謂的定向排列的現(xiàn)象。
2.2 直流磁場對X射線衍射圖譜的影響
圖4是不同磁感應(yīng)強度下Al- Ni合金試樣的X射線衍射圖譜�？梢钥闯觯嚇佑�α-Al和Al3 Ni兩種相組成，在磁場作用下，X射線衍射圖譜有了顯著變化。無磁場時，α-Al的三強峰所對應(yīng)的晶面依次是(311)、(111)、(200)面；當磁感應(yīng)強度為0.3 T時，最強峰(111)比其他峰的強度高出很多，其余兩個峰為( 311)和(200)晶面；當磁感應(yīng)強度為0.6 T時，三強峰依次是(111)、(200)、(220)面；在0.9 T的磁場作用下，三強峰變化不大，分別是(111)、(200)、( 311)面；當磁感應(yīng)強度為1.2 T時，磁場和0.3 T的磁場對試樣X射線的影響是相同的，三強峰均為(111)、(311)、(200)面；當磁感應(yīng)強度為1.5T時，磁場能顯著改變?nèi)龔姺逅鶎?yīng)的晶面，最強峰從(111)轉(zhuǎn)移到(220)，其他兩個峰為(111)和(311)晶面�？傊�(jīng)過磁場處理，基體α-Al(lll)晶面的晶粒數(shù)量增多，即在(111)晶面形成了明顯的擇優(yōu)取向。
無磁場時，合金中的Al3Ni相不同晶面的衍射峰均大量出現(xiàn)，表明析出相無明顯晶體學(xué)取向關(guān)系；施加磁場后，Al3 Ni相(020)，(230)，(040)晶面衍射強度都有不同程度的增強；當磁感應(yīng)強度為0.3 T和1.2 T時，(020)和(040)晶面衍射峰強度顯著增強；當磁感應(yīng)強度為0.6 T時，(230)晶面也變化較大�？傊诖艌鲎饔孟�，Al3 Ni相在(hk0)面的衍射強度增強，在其他方向的衍射強度減弱甚至消失，可進一步證實直流磁場能誘導(dǎo)Al3 Ni析出相發(fā)生c軸取向。
枝晶韻生長具有晶體學(xué)擇優(yōu)生長方向，晶體最優(yōu)長大方向是密排面形成的錐體的主軸方向。晶體在這些方向生長時，原子易于在密度較小的晶面上堆積，所以在垂直于這些晶面的方向晶粒生長較快。在穩(wěn)恒磁場作用下，自由能降低最強烈的晶面應(yīng)該是磁化率最大的晶面，并非密排晶面，從而會使擇優(yōu)生長方向受到抑制，生長速度減慢�？梢越忉尀槭┘哟艌龊蠼档土藫駜�(yōu)生長方向上的驅(qū)動力，影響了晶粒的生長速度，從而使合金產(chǎn)生擇優(yōu)取向。所以磁場使Al-10Ni合金中α—Al的衍射峰產(chǎn)生明顯變化，形成了擇優(yōu)取向。
當材料被放入均勻磁場中時，其磁化能的表達式為：
式中，μo為真空磁導(dǎo)率；χ為材料的磁化率；V為晶粒的體積；B為磁感應(yīng)強度。晶粒在穩(wěn)恒磁場中沿不同方向磁化時，其磁化能的大小不同，從而會產(chǎn)生磁化能差值，其表達式為：
式中，χ為材料在不同磁場方向上磁化率的差值。根據(jù)式(2)可知，晶粒在磁場的作用下會沿磁化能最小的方向取向。通常情況下，具有磁各向異性的晶體在穩(wěn)恒磁場中凝固后，順磁性晶體會以磁化率最大的晶體軸平行磁場方向排列，而抗磁性晶體則會以磁化率的絕對值最大的晶體軸垂直磁場方向排列。由于Al3Ni晶體結(jié)構(gòu)是斜方晶體，其磁性為順磁性，且c軸是磁化率最大的方向。所以在Al-Ni合金凝固過程中施加磁場后，Al3Ni析出相以c軸平行磁場方向取向。
3 結(jié) 論
(1)穩(wěn)恒磁場能夠使Al-lONi合金中Al3Ni初生相均勻分布，在平行于磁場方向的截面上Al3 Ni初生相發(fā)生定向排列，同時顯著改變基體Al和Al3Ni相的晶體取向。
(2)在0--1.5 T范圍內(nèi)，隨著磁感應(yīng)強度的增加，Al-10Ni合金中Al3Ni相的定向排列程度逐漸提高，間距逐漸減小。
(3)基體鋁相的(311)晶面的生長受到抑制，Al-10Ni合金中Al3Ni相在（hko）面的衍射強度增強，同時以c軸平行磁場方向取向。
4摘要
研究了磁感應(yīng)強度為0～1.5 T的穩(wěn)恒磁場對Al-10Ni合金凝固組織及結(jié)晶取向的影響。結(jié)果表明，穩(wěn)恒磁場能夠使合金中Al3 Ni初生相均勻分布，在平行于磁場方向的截面上Al3 Ni初生相發(fā)生定向排列，磁場能顯著改變基體Al和Al3Ni相的晶體取向；隨著磁感應(yīng)強度的增加，Al3 Ni相的定向排列程度逐漸提高，間距逐漸減小；基體鋁相的(311)晶面的生長受到抑制，Al3 Ni相在(hk0)面的衍射強度增強，同時以c軸平行磁場方向取向。
