康智強(qiáng)，楊　雪，馮國(guó)會(huì)，張　林

(1. 沈陽(yáng)建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110168；2. 東北大學(xué) 材料電磁過(guò)程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 沈陽(yáng) 110004)

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水平穩(wěn)恒磁場(chǎng)對(duì)Al-10%Bi合金中富Bi相分布的影響*

康智強(qiáng)1，楊雪1，馮國(guó)會(huì)1，張林2

(1. 沈陽(yáng)建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110168；2. 東北大學(xué) 材料電磁過(guò)程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 沈陽(yáng) 110004)

摘要：在有、無(wú)磁場(chǎng)作用下進(jìn)行Al-10%Bi過(guò)偏晶合金的凝固實(shí)驗(yàn)，分析了1 T水平穩(wěn)恒磁場(chǎng)對(duì)富Bi相分布的影響。結(jié)果表明，磁場(chǎng)作用下的合金試樣上部的富Bi相粒子密度增加，下部的富Bi相粒子密度較少，且富Bi相粒子尺寸分布范圍變窄。水平穩(wěn)恒磁場(chǎng)在一定程度上阻礙了液滴的碰撞凝并和重力沉降，避免了液滴的局部聚集，提高了液滴沿重力方向的均勻程度，有利于獲得富Bi相均勻分布的合金凝固組織。

關(guān)鍵詞：水平穩(wěn)恒磁場(chǎng)；碰撞凝并；Al-Bi過(guò)偏晶合金；凝固

0引言

Al-Pb、Al-Bi、Al-Sn等自潤(rùn)滑軸瓦材料以其獨(dú)特的物理性能和力學(xué)性能被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空航天、船舶、軍用工程機(jī)械和民用工程機(jī)械等領(lǐng)域[1-2]。但該類(lèi)偏晶合金是一類(lèi)存在液-液相分離特性的合金，其凝固過(guò)程受到形核、擴(kuò)散長(zhǎng)大、Ostwald熟化、碰撞凝并、彌散相液滴運(yùn)動(dòng)以及基體熔體對(duì)流等因素直接或間接的影響，導(dǎo)致在常規(guī)地面鑄造條件下形成的合金凝固組織出現(xiàn)重力偏析甚至分層現(xiàn)象而失去應(yīng)用價(jià)值[3-5]。為此，人們?cè)诳臻g微重力環(huán)境環(huán)境下開(kāi)展偏晶合金液相分離機(jī)制的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，空間微重力環(huán)境下第二相的Marangoni力和未完全抵消的Stokes力以及熔體與容器的潤(rùn)濕過(guò)程的存在是造成勻質(zhì)偏晶合金難以獲得的主要影響因素[6]。因此，本文在1 T水平穩(wěn)恒磁場(chǎng)下進(jìn)行Al-10%Bi過(guò)偏晶合金的凝固實(shí)驗(yàn)，分析了1 T水平穩(wěn)恒磁場(chǎng)對(duì)富Bi相液滴分布的影響。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)合金成分為Al-10%Bi(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。用純度為99.99%的金屬Al和Bi為原料實(shí)驗(yàn)，在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行。先將稱(chēng)量好的Al放入充分干燥過(guò)的尺寸為?45 mm×165 mm石墨坩堝內(nèi)加熱，待Al完全熔化后加入金屬Bi；將合金升溫到800 ℃時(shí)進(jìn)行除氣處理，當(dāng)升至1 000 ℃時(shí)保溫10 min，保溫過(guò)程中充分?jǐn)嚢韬辖鹨孕纬删鶆蛉垠w；然后，將處于不同溫度的合金試樣逐一置入1 T穩(wěn)恒磁場(chǎng)發(fā)生裝置中，進(jìn)行磁場(chǎng)作用下合金的凝固實(shí)驗(yàn)，即每隔一段時(shí)間取出一支試樣進(jìn)行磁場(chǎng)作用下的淬火實(shí)驗(yàn)，試樣溫度通過(guò)插入的鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)量并用電腦自動(dòng)采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和記錄；最后，將獲得的柱狀樣品(尺寸為?7.8 mm×42 mm)沿縱向剖開(kāi)，拋光后在掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行顯微組織觀察，應(yīng)用圖像分析軟件進(jìn)行定量金相分析，測(cè)定富Bi相液滴的平均直徑、尺寸分布和數(shù)量密度。無(wú)磁場(chǎng)下(0 T)的Al-10%Bi偏晶合金凝固實(shí)驗(yàn)過(guò)程與磁場(chǎng)下的實(shí)驗(yàn)過(guò)程相同，僅在凝固過(guò)程中不施加磁場(chǎng)。

1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1顯示了有、無(wú)磁場(chǎng)作用下，不同凝固時(shí)間的Al-10%Bi合金試樣中部顯微組織，黑色部分為基體相Al，白色顆粒為富Bi相。在Al-10%Bi過(guò)偏晶合金凝固初期(T1=766 ℃，t=21.4 s)，兩種實(shí)驗(yàn)條件下的合金均出現(xiàn)了較大尺寸的富Bi相液滴，但隨著合金凝固過(guò)程的進(jìn)行，無(wú)磁場(chǎng)作用下的過(guò)偏晶合金凝固微觀組織中大尺寸的富Bi液滴逐漸增多，而磁場(chǎng)作用下的合金凝固微觀組織中的大尺寸富Bi相液滴幾乎沒(méi)有增加。因此，水平穩(wěn)恒磁場(chǎng)對(duì)富Bi相液滴的重力遷移起到了顯著的抑制作用，阻礙了液滴間的碰撞凝并，降低了液滴的粗化速率，避免了液滴的局部聚集。

圖2(a)和(b)為有、無(wú)磁場(chǎng)作用下，670 ℃ Al-10%Bi合金試樣不同位置中富Bi相液滴的密度分布和平均直徑分布。如圖2(a)所示，在1 T水平穩(wěn)恒磁場(chǎng)作用下，670 ℃時(shí)Al-10%Bi過(guò)偏晶合金試樣上部富Bi相液滴的平均直徑約為3.9 μm大于無(wú)磁場(chǎng)作用下液滴的平均直徑，試樣下部富Bi相液滴的平均直徑約為4.75 μm明顯小于無(wú)磁場(chǎng)作用下液滴的平均直徑5.01 μm，磁場(chǎng)作用下的合金試樣上部液滴尺寸與下部液滴的尺寸之差縮小為無(wú)磁場(chǎng)作用下的68%。

圖1　有、無(wú)磁場(chǎng)作用下Al-10%Bi合金試樣中部凝固微觀組織演變

Fig 1 Microstructure evolution of Al-10%Bi alloys in the middle of sample in the magnetic field of 0 and 1 T during solidification process

圖2有、無(wú)磁場(chǎng)作用下Al-10%Bi合金670 ℃凝固組織中彌散相液滴的平均直徑和數(shù)量密度

Fig 2 Average diameter and number density of the dispersed phase droplets in the top, middle and bottom of the Al-Bi alloy samples with same composition quenched at 670 ℃ in the magnetic field of 0 and 1 T

由此說(shuō)明，磁場(chǎng)通過(guò)縮小試樣上部、下部富Bi相液滴的平均直徑差距使試樣組織的均勻性增強(qiáng)。通過(guò)對(duì)試樣不同位置的富Bi相液滴的平均直徑進(jìn)行對(duì)比，水平穩(wěn)恒磁場(chǎng)阻礙了富Bi相液滴的碰撞凝并和重力沉降，縮小了富Bi相液滴的尺寸分布范圍，提高了富Bi相液滴沿重力方向的均勻程度。圖2(b)顯示了水平穩(wěn)恒磁場(chǎng)作用下，該成分合金試樣上部富Bi相液滴的密度大于無(wú)磁場(chǎng)作用下的液滴密度，試樣下部富Bi相液滴的數(shù)量密度明顯小于無(wú)磁場(chǎng)作用下試樣下部彌散相液滴的數(shù)量密度。分析認(rèn)為，水平穩(wěn)恒磁場(chǎng)促進(jìn)了試樣上部組織中富Bi相液滴的形核以及控制了已形核液滴的碰撞凝并和重力遷移。但由磁場(chǎng)作用下的試樣下部富Bi相液滴的數(shù)量密度減小可見(jiàn)，磁場(chǎng)對(duì)碰撞凝并的抑制導(dǎo)致液滴數(shù)量的增加遠(yuǎn)小于磁場(chǎng)對(duì)重力遷移的抑制導(dǎo)致液滴數(shù)量的減少。因此，水平穩(wěn)恒磁場(chǎng)主要通過(guò)抑制重力沉降來(lái)影響試樣下部富Bi相液滴的數(shù)量及分布。

2水平穩(wěn)恒磁場(chǎng)對(duì)富Bi相分布的影響

Stokes運(yùn)動(dòng)、Marangoni遷移、基體熔體對(duì)流會(huì)引起富Bi相液滴間的碰撞凝并及粗化。在水平穩(wěn)恒磁場(chǎng)作用下，流動(dòng)的導(dǎo)電熔體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流，此電流與磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生了阻礙基體熔體流動(dòng)的電磁力[7]。此力不僅減緩了基體熔體對(duì)流，減弱了富Bi相液滴的運(yùn)動(dòng)速度，還對(duì)由基體熔體對(duì)流，液滴的Stokes運(yùn)動(dòng)和Marangoni遷移導(dǎo)致的碰撞凝并起到顯著的抑制作用，從而影響了富Bi相液滴的分布。

2.1磁場(chǎng)通過(guò)改變液滴的受力狀況來(lái)影響富Bi相分布

在橫向靜磁場(chǎng)作用下，液-液相變過(guò)程中的富Bi相液滴受到Stokes運(yùn)動(dòng)引起的Stokes粘滯力FS[8]，Marangoni遷移導(dǎo)致的Marangoni力FM[8-9]，以及液滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程中切割磁感線產(chǎn)生的Lorentz力FL[10]的綜合作用，所受到的3種力的大小可以用以下公式近似計(jì)算得出

(1)

(2)

(3)

式中，?σ*/?T為界面張力梯度，可由下式計(jì)算得出

圖3為磁場(chǎng)作用下單個(gè)富Bi相液滴受力示意圖。

圖3磁場(chǎng)作用下單個(gè)富Bi相液滴受力示意圖[11]

Fig 3 Schematic effect of magnetic field[11]

如圖3所示，Stokes粘滯力FS的作用方向與單位體積的Marangnoni力FM相反，使得Stokes粘滯力被部分抵消；Lorentz力FL的作用方向與富Bi相液滴的運(yùn)動(dòng)方向相反，阻止或減弱液滴的Stokes沉降和Marangoni遷移，減弱程度將取決于富Bi相液滴受到的Lorentz力FL與Marangoni力FM以及Stokes力FS的相對(duì)大小。由式(2)～(3)計(jì)算后表明，穩(wěn)恒磁場(chǎng)減弱了富Bi相液滴的Stokes沉降和Mrangoni遷移，但與組元間密度差導(dǎo)致的Stokes粘滯力和溫度梯度導(dǎo)致的Marngoni力相比，此電磁力較小，不能完全抑制Stokes沉降和Marngoni遷移[9]。磁場(chǎng)對(duì)富Bi相液滴間碰撞凝并示意圖見(jiàn)圖4所示[12]。

圖4磁場(chǎng)對(duì)富Bi相液滴間碰撞凝并示意圖[12]

Fig 4 Effect of the magnetic field on verticaland horizontal collision-coagulation of the rich Bi phase droplets[12]

2.2磁場(chǎng)通過(guò)減弱基體熔體對(duì)流來(lái)影響富Bi相分布

恒定磁場(chǎng)對(duì)基體熔體對(duì)流的抑制程度可用Ha(哈特曼數(shù))確定，以及根據(jù)Ha數(shù)范圍的不同來(lái)選擇熔體有效粘度的計(jì)算公式[13]，即

(4)

(5)

當(dāng)富Bi相液滴相互靠近且未發(fā)生碰撞凝并行為之前，液滴間的熔體隨著液滴間距的減小而被逐漸擠出，造成液滴間基體熔體對(duì)流現(xiàn)象的產(chǎn)生。在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的Lorentz力的分量與被排除的基體熔體的流動(dòng)方向相反，進(jìn)而對(duì)富Bi相液滴間的碰撞凝并起到阻礙作用。分析認(rèn)為，施加水平穩(wěn)恒磁場(chǎng)相當(dāng)于增加了基體熔體的有效粘度，提高了描述熔體流動(dòng)的Gr(格拉曉夫數(shù))和Ra(瑞利數(shù))的臨界值，抑制了熔體對(duì)流，從而減小了因熔體內(nèi)對(duì)流導(dǎo)致的富Bi相液滴間的碰撞粗化機(jī)率[15]。

2.3磁場(chǎng)通過(guò)減緩液滴Stokes運(yùn)動(dòng)和Marangoni遷移來(lái)影響富Bi相分布

由于彌散相與基體相間存在較大的密度差，將導(dǎo)致液滴發(fā)生Stokes運(yùn)動(dòng)。此外，由于基體熔體存在較大的溫度差，因而導(dǎo)致基體中的彌散相液滴發(fā)生Marangoni遷移。因此，彌散相液滴的運(yùn)動(dòng)速度是Stokes運(yùn)動(dòng)速度和Marangoni遷移速度的矢量和，具有不同速度的液滴間會(huì)發(fā)生碰撞凝并。液滴進(jìn)行Stokes運(yùn)動(dòng)的速度和Marngoni遷移的運(yùn)動(dòng)速度[14]的計(jì)算公式如式(6)和(7)所示

(6)

(7)

由式(6)和(7)可以看出，Stokes運(yùn)動(dòng)的速度與液滴的半徑的平方成正比，Marangoni遷移的速度與液滴的半徑成正比，因而較大的液滴運(yùn)動(dòng)速度較快，將追逐捕捉尺寸較小的液滴，進(jìn)而促使液滴發(fā)生Stokes凝并與Marangoni凝并。因此，彌散相液滴的Marangoni遷移和Stokes運(yùn)動(dòng)是引起彌散相液滴碰撞凝并的主要原因。施加磁場(chǎng)后，彌散相液滴的Stokes運(yùn)動(dòng)速度和Marngoni遷移速度降低，進(jìn)而使液滴的終端運(yùn)動(dòng)速度降低，從而阻礙液滴間的碰撞凝并，抑制液滴的重力沉降，有利于使凝固組織趨于均勻。

3結(jié)論

(1)水平穩(wěn)恒磁場(chǎng)能夠提高描述熔體流動(dòng)的Gr和Ra的臨界值，減小因熔體內(nèi)對(duì)流導(dǎo)致的富Bi相液滴間的碰撞粗化。

(2)水平穩(wěn)恒磁場(chǎng)主要通過(guò)抑制重力沉降來(lái)影響富Bi相液滴的數(shù)量分布，提高了合金凝固試樣沿重力方向的空間分布均勻性。

(3)水平穩(wěn)恒磁場(chǎng)能夠減緩富Bi相液滴的Stokes沉降、Marngoni遷移和基體熔體對(duì)流，以及對(duì)由以上3種因素引起的液滴間碰撞凝并想象進(jìn)行阻礙，降低液滴的粗化速率，從而使液滴尺寸分布范圍變窄，避免了液滴局部聚集，有利于使凝固組織趨于均勻。

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文章編號(hào)：1001-9731(2016)07-07173-04

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51401133)；遼寧省科學(xué)技術(shù)基金資助項(xiàng)目(20141074)；遼寧省教育廳科學(xué)研究資助項(xiàng)目(L2014230)；沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)科涵育項(xiàng)目(XKHYZ-48)

作者簡(jiǎn)介：康智強(qiáng)(1980-)，女，遼寧鞍山人，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事磁場(chǎng)作用下偏晶合金的相分離和組織形成規(guī)律的研究。

中圖分類(lèi)號(hào)：TG146

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.07.033

Influence of horizontal magnetic field on Bi-rich phase distribution in Al-10%Bi hypermonotectic alloy

KANG Zhiqiang1，YANG Xue1，F(xiàn)ENG Guohui1，ZHANG Lin2

(1. School of Municipal and Environmental Engineering,Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China；2. Key Laboratory of Electromagnetic Processing of Materials, Ministry of Education,Northeastern University, Shenyang 110004, China)

Abstract:The solidification experiment of Al-10%Bi hypermonotectic alloy were carried out respectively under horizontal static magnetic field and the gravity condition. The effect of 1 T horizontal static magnetic field on Bi-rich phase distribution of hypermonotectic alloy was examined. The results showed that Bi-rich particles density increased in the middle of sample and particles density decreased in the bottom of sample as well as in the width of the Bi-rich particles size distribution under the static magnetic field. The static magnetic hinders collision condensation between droplets and gravity sedimentation, avoids the local accumulation of droplets, and improves the homogeneous degree of droplets along the direction of gravity to some extent. It’s beneficial to obtain solidification organization of uniformly distributed Bi-rich phase.

Key words:herizontal static magnetic; collision condensation; Al-Bi hypermonotectic alloy; solidification

收到初稿日期：2016-03-20 收到修改稿日期：2016-06-15 通訊作者：康智強(qiáng)，E-mail: kangzhiqiang101915@163.com