DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.s2.055

超高温度梯度快速定向凝固的Cu-Mn合金胞晶间距

杨森 黄卫东 张庆茂 刘文今 周尧和

  清华大学机械系  

  西北工业大学凝固技术国家重点实验室  

  西北工业大学凝固技术国家重点实验室 北京100084.西北工业大学凝固技术国家重点实验室  

  西安710072  

  北京100084  

摘 要：

利用 5kWCWCO2 激光器对Cu 31.4 %Mn合金进行了一系列表面重熔实验 , 就激光束扫描速度对重熔区微观组织生长方向的影响和超高温度梯度快速定向凝固条件下胞晶间距选择规律进行了研究。实验结果表明 :熔池中微观组织的生长方向强烈地受激光工艺参数 (激光输出功率和扫描速度 ) 的影响。通过采用本实验的工艺 , 实现了与Bridgman法类似的超高温度梯度快速定向凝固 , 其温度梯度可高达10 6K/m , 速度可高达 2 4 .1mm/s。Cu 31.4 %Mn在超高温度梯度快速凝固条件下的胞晶间距存在一个分布范围。随生长速度的增大 , 胞晶间距减小。胞晶间距与生长速度的关系为 :λmax=1.2 5v-0 .61b , λmin=4 .4 7v-0 .52b , λ— =9.0 9v-0 .62b 。实验结果与快速凝固条件下枝晶生长模型 (Hunt Lu模型 ) 吻合。

关键词：

激光表面熔凝;超高温度梯度;定向凝固;胞晶间距;

中图分类号： TG111.4

收稿日期：2001-03-12

基金：国家自然科学基金资助项目 (5 97710 5 4);清华大学 985重点资助项目;

Cellular spacing of Cu-Mn alloy under ultrahigh temperature gradient and rapid directional solidification

Abstract：

Detailed laser surface remelting experiments of Cu 31.4% Mn alloy on a 5?kW CW CO 2 laser were carried out to study the effects of processing parameters (scanning velocity, laser output power) on the growth direction of microstructure in the molten pool and cellular spacing selection under ultrahigh temperature gradient and rapid directional solidification conditions. The experimental results show that growth direction of microstructure is strongly affected by laser processing parameters. Ultra high temperature gradient directional solidification can be realized on the surface of samples during laser surface remelting by controlling laser processing parameters, whose temperature gradient can reach 10 6 K/m and growth velocity can reach 24.1?mm/s, and the solidification microstructure grows along the laser beam scanning direction. There exists a distribution range in cellular spacing under laser rapid solidification condition, the average spacing decrease with increase of the growth rate. The maximum, λ max , minimum, λ min , and average primary spacing, λ- , as functions of growth rate v b, can be given by λ max = 1.25 ? v -0.61 b , λ min = 4.47 ? v -0.52 b , λ- = 9.09 ? v -0.62 b , respectively. The experimental results are compared with the current Hunt Lu model for rapid cellular/dendritic growth, and a good agreement is found.

Keyword：

laser surface remelting; ultrahigh temperature gradient; directional solidification; cellular spacing;

Received： 2001-03-12

胞/枝晶一次间距作为凝固组织中最重要的特征尺度之一, 对材料的组织和性能有重要的影响。 胞/枝晶一次间距选择范围及历史相关性的发现是近年来凝固理论研究的重大进展之一, 但目前关于胞/枝晶一次间距选择历史相关性及容许范围的实验都是在低温度梯度 (<30 K/mm) 和低凝固速度范围 (<500 μm/s) 内进行的 ^[1,2,3,4,5] , 人们迫切需要了解更高温度梯度和凝固速率范围内的实验规律。 但传统的定向凝固方法 ^[6] (包括区熔液态金属冷却法 ^[7] ) 由于受加热方法的限制, 温度梯度不可能再有大的提高。 要使温度梯度产生新的飞跃, 必须寻求新的热源或加热方式。 激光能量高度集中的特性, 使它具备了在作为定向凝固热源时可能获得比现有定向凝固方法高得多的温度梯度的可能性。 在激光表面熔凝过程中, 温度梯度一般可达10⁶ K/m, 生长速度可高达每秒数米。 但一般的激光表面熔凝过程与Bridgman法 (生长速度和温度梯度单独可控且方向一致) 定向凝固不同, 是从熔池底部到顶部短距离定向凝固, 而不是沿扫描速度方向长距离连续定向凝固。 从熔池底部到顶部温度梯度和凝固速度是不断变化的, 且两者不能独立控制; 同时, 凝固组织是从基体外延生长的, 界面上不同位置的生长方向也不相同, 在确定局部生长速度时, 就会引入人为的影响, 从而会对分析结果产生影响 ^[8,9,10] 。

单相Cu-Mn合金由于其金相组织腐蚀容易, 微观组织典型, 且达到绝对稳定的临界速度小, 便于对靠近绝对稳定端的胞晶间距选择规律进行研究。 因此, 本文作者选用Cu-Mn合金进行实验, 目的是通过激光表面快速熔凝来实现激光超高温度梯度快速定向凝固, 从而对Cu-Mn合金在超高温度梯度和快速凝固条件下的胞/枝晶间距变化规律进行研究。

1 方法

用电解铜 (Cu>99.97%) 和纯锰 (Mn>99.9%) 在真空感应炉中配制31.4%Mn合金, 坩埚为高纯石墨坩埚, 在表面刷有Al₂O₃涂料, 化清后浇入内腔为20 mm×120 mm×120 mm的铜模。 为了去除表面的氧化皮, 各表面分别切掉3 mm, 然后再切成6 mm×6 mm×30 mm的小试块。 用800^#砂纸轻轻打磨其中的一个表面, 并用丙酮清洗, 确保所有激光重熔表面都具有相同的状况。

实验所用激光器为5 kW连续CO₂激光器 (Rofin-Sinar850) 。 光斑直径为0.3 mm。 为避免表面氧化, 实验过程同时吹入He气进行保护, 气流量为5 L/min。 激光束扫描速度介于5.1～24.1 mm/s之间。

为了观察试样的组织形态变化, 把试样分别沿激光扫描道的中心线和横截面切开。 对重熔区的横截面、 纵截面和上表面分别进行打磨抛光, 经氯化氨铜水溶液腐蚀后, 用CARIZESS JENA光学显微镜 (OM) 和JXA-840扫描电镜 (SEM) 观察表面熔化层的组织形态。 用Leitz定量金相检测仪附带的Quantinet 500软件测定胞/枝晶间距。

2 结果及分析

2.1 定向凝固的实现

在通常条件下晶体的生长方向主要受温度场、 浓度场和晶体的生长特性的影响 ^[11] 。 对于胞晶生长, 胞晶轴介于〈100〉方向和热流方向之间, 并随温度梯度G_L和生长速度v的比值G_L/v的减小而逐渐接近〈100〉方向。 而枝晶生长时, 晶轴沿〈100〉方向生长, 热流方向不改变晶轴生长方向, 只是选择三个〈100〉方向中与热流方向夹角最小的一个方向生长 ^[12] 。 因此要想利用激光作为热源来实现类似于Bridgman法的超高温度梯度快速定向凝固, 即使生长方向与扫描速度方向一致, 实现长距离的连续定向凝固, 就必须分别考虑胞晶和枝晶两种情况, 因在枝晶生长时, 其生长方向主要受晶体择优取向的影响, 例如在 (001) 面上沿[100]方向扫描时, 在保证足够的熔池深度的前提下, 在熔区的上部就可以得到与扫描速度方向完全一致的沿[100]方向生长的枝晶组织。 而对于胞晶生长, 因其主要受热流方向影响, 因此要想实现与扫描速度方向一致的定向生长, 就必须首先保证在熔池顶部温度梯度的方向与扫描速度的方向一致, 其次要保证合金的生长处于胞晶生长区。 Cu-31.4%Mn合金由于其结晶温度区间较窄, 在激光超高温度梯度快速凝固条件下进行凝固时以全胞晶形式生长, 因此在保证熔池表面有沿着激光束扫描方向的温度梯度的前提下就可在熔池表面实现与Bridgman法类似的定向凝固。 图1所示为Cu-31.4%Mn合金的激光重熔区组织纵截面图。 由图可见, 重熔区组织生长非常规则, 从熔池底部到顶部胞晶组织生长方向受熔池中温度梯度场的影响逐渐偏转, 最后在顶部变得完全与激光束的扫描方向一致, 而且在实验给定的速度范围内 (5.1～24.1 mm/s) 都出现了平行于扫描方向的定向组织。

Kurz等给出了快速凝固条件下胞/枝晶一次间距的表达式 ^[13] :

$\stackrel{—}{{\displaystyle \lambda }}=4.3(\text{Δ}{\rm T}{}_{0}D\Gamma /k{}_0){}^{1/4}G{}_{\text{L}}^{-1/2}v{}^{-1/4}\text{?}\text{?}\text{?}(1)$

式中 液相扩散系数D_L=1.75×10^-9 m²·s^-1, 吉布斯-汤姆逊系数Γ=3×10^-7 mK, ΔT₀是合金的结晶温度区间, k₀=0.9为溶质分配系数, G_L是温度梯度, v是生长速度。 对于Cu-31.4%Mn合金, 在5.1～24.1 mm/s的生长速度范围内, 实验测得其平均胞晶间距介于1.07～2.23 μm之间, 于是根据式 (1) 可求得熔池顶部的定向生长层中温度梯度介于3.29×10⁶～6.57×10⁶ K·m^-1, 比区熔液态金属冷却法 (ZMLMC) 的最大温度梯度1.3～10⁵ K·m^-1高1个数量级。 结合本实验所达到的最大定向生长速度24.1 mm/s, 可知激光超高温度梯度快速定向凝固技术的冷却速率较区熔液态金属冷却法的冷却速率大大提高 (约3个数量级) 。

图1 熔池纵截面组织

Fig.1 SEMs of longitudinal section (Cu-31.4%Mn, P=1.0 kW, v_b=5.1 mm/s) (a) —Top; (b) —Middle; (c) —Bottom

2.2胞晶间距测量结果以及与理论模型的比较

图2所示为从熔池纵截面得到的Cu-31.4%Mn合金在不同生长速度 (与扫描速度相等) 下典型胞晶纵截面组织。 表1给出了从相应试样的横截面测得到的胞晶间距的最大、 最小和平均值, 图3所示为根据表1结果绘制的胞晶间距随生长速度的变化规律。 由图可见, 在超高温度梯度快速凝固条件下, 胞晶间距同样存在一个选择范围, 而非单一的值, 最大和最小间距之比在1.75～2.50之间。 随着生长速度提高, 胞晶间距趋于减小, 通过回归分析, 得到胞晶间距和生长速度之间的关系为:

λ_max=12.54v ${}_{\text{b}}^{-0.61}$ (2)

λ_min=4.47v ${}_{\text{b}}^{-0.52}$ (3)

$\stackrel{—}{{\displaystyle \lambda }}=9.09v{}_{\text{b}}^{-0.62}\text{?}\text{?}\text{?}(4)$

迄今为止, 仍然没有一个精确的分析模型能对从低速到高速 (从平界面失稳速度到高速绝对稳定平界面临界速度) 的胞/枝晶间距选择规律进行描述。 最近, Hunt和Lu等 ^[14,15] 通过对胞/枝晶列进行稳定性分析得到了一个适用于描述从低速平界面到高速绝对稳定平界面范围内胞晶间距和枝晶一次间距分布范围下限的数学模型, 并根据大量的数值计算结果给出了下限的近似拟合表达式 (称为Hunt-Lu模型) , 并推测其上限约为下限的两倍, 其中下限λ_min的近似拟合表达式为

图2 典型胞晶组织 (纵截面)

Fig.2 Typical cellular structure from longitudinal section (a) —v_b=5.1 mm/s; (b) —v_b=10.4 mm/s; (c) —v_b=19.1 mm/s; (d) —v_b=24.1 mm/s

表1 胞晶间距测量结果

Table 1 Experimental results of cellular spacing

Alloy	Growth rate/ (mm·s-1)	λmax/μm	λmin/μm	$$\stackrel{—}{{\displaystyle \lambda }}/\text{μ}\text{m}$$	$$\frac{\lambda {}_{\max }}{\lambda {}_{\min }}$$	$$\frac{\lambda {}_{\max }}{\stackrel{—}{{\displaystyle \lambda }}}$$
Cu-31.4Mn	5.1 10.4 19.1 24.1	3.12 2.78 2.07 1.75	1.78 1.35 1.01 0.70	2.23 1.89 1.47 1.07	1.75 2.06 2.05 2.50	1.40 1.47 1.41 1.64

图3 胞晶间距与生长速度的关系曲线

Fig.3 Relationship between cellular spacing and growth rate

λ′=8.18k^-0.485v′^-0.29 (v′-

G′) ^-0.3ΔT^′_s^-0.3 (1-v′) ^-1.4 (5)

式中

$\begin{array}{l}\text{Δ}{\rm T}{}_s^{?}=\frac{G^{\prime }}{v^{\prime }}+a+(1-a)v^{\prime }{}^{0.45}-\\ \frac{G^{\prime }}{v^{\prime }}[a+(1-a)v^{\prime }{}^{0.45}],\end{array}$

a=5.273×10^-3+0.551 9 k-0.186 5 k²,

${\lambda }^{\prime }=\frac{\lambda \text{Δ}{\rm T}{}_0}{\Gamma k},$

$G^{\prime }=\frac{G\Gamma k}{\text{Δ}{\rm T}{}_0},$

$v^{\prime }=\frac{v\Gamma k}{D\text{Δ}{\rm T}{}_0},$

k=C_S/C_L,

ΔT₀=mC₀ (k-1) /k.

经过无量纲化处理, 得到:

$\lambda {}_{\min }=8.18k{}^{-0.335}\left(\frac{\Gamma }{mC{}_0(k-1)}\right){}^{0.41}\left(\frac{D}{v}\right){}^{-0.59}\text{?}\text{?}\text{?}(6)$

把Cu-Mn合金的热物性参数代入式 (6) 中进行计算, 并将计算结果绘于图4中, 与实验结果进行比较发现二者吻合得很好。 理论确定的上下限之比为2, 而实验确定的上下限之比介于1.75～2.50之间, 二者接近; 可见, 利用Hunt-Lu数值模型可以对超高温度梯度下胞晶间距进行准确描述, 同时也说明, 利用这种定向凝固方法得到的实验结果避免了由于生长速度不准确而引入的误差, 使得实验结果真实可靠。

图4 胞晶间距测量结果与数值模型的比较

Fig.4 Comparison between experimentally measured average cellular spacing with that calculated by Hunt-Lu model

3 结论

1) 利用激光快速熔凝方法可以实现与Bridgman法相似的超高温度梯度快速定向凝固, 其温度梯度可高达10⁶ K/m, 生长速度可高达24.1 mm/s, 合金凝固时的冷却速度较区熔液态金属冷却法大大提高 (约3个数量级) 。

2) Cu-31.4%Mn在超高温度梯度快速凝固条件下的胞晶间距存在一个分布范围。 随生长速度的增大, 胞晶间距减小。 胞晶间距与生长速度的关系为: λ_max=1.25 v ${}_{\text{b}}^{-0.61}$ , λ_min=4.47 $v{}_{\text{b}}^{-0.52}?\stackrel{—}{{\displaystyle \lambda }}=9.09$ v ${}_{\text{b}}^{-0.62}$ 。 实验结果与快速凝固条件下枝晶生长模型 (Hunt-Lu模型) 的预测结果相吻合。

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