专题系列中科院金属所江鸿翔副研究员脉冲电流作用下相分离合金连续凝固过程研究

　　相分离合金十分广泛，其具有许多具有优异的特性和重要的工业用途。然而，由于该类合金熔体冷却时存在着液-液相变过程，在重力场内凝固时极易形成比重偏析严重的组织，其制备与凝固过程研究受到了限制。为了深入认识该类合金的凝固特性，对相分离合金凝固过程进行大量的试验与模拟研究。结果表明，①相分离合金凝固组织演变是多因素共同作用的结果，过程十分复杂，深入的建模与模拟研究是揭示该类合金凝固机理的有效途径；②连续凝固在相分离合金凝固过程研究和相分离合金复合材料制备上具有很好的应用前景，深入研究连续凝固条件下相分离合金凝固组织形成过程与控制方法具有重要的科学与实际意义；③弥散相液滴形核过程是决定相分离合金凝固组织的关键，如能采取适当的措施，控制弥散相液滴的形核率，则能有效地促进弥散型相分离合金复合凝固组织的形成。
　　电流能显著影响金属、合金的凝固组织，电流作用下金属凝固行为是材料科学领域的重要研究方向之一。NAKADA M等首先探索了脉冲电流对Sn-Pb合金凝固过程的影响后，对脉冲电流作用下纯金属、固溶体型合金和共晶型合金的凝固行为开展了广泛研究。李杰、廖希亮研究了脉冲电流对纯铝和铝合金晶粒尺寸与凝固界面稳定性等的影响，发现脉冲电流不仅可以促使合金凝固组织由柱状晶向等轴晶转变，还可以改变凝固界面形态，提高固/液界面的稳定性；訾炳涛等、班春燕等研究了脉冲电流对铝合金凝固组织的影响，发现脉冲电流不但可以显著细化合金凝固组织，还可以有效地改善LY12合金中Cu和Mg的成分偏析。江鸿翔研究了直流电流作用下相分离合金的凝固行为，发现直流电流作用可以促使相分离合金液-液相变过程中第二相液滴发生沿垂直于电流方向的空间迁移，因此，可以控制相分离合金的凝固过程，促使具有壳/核结构的相分离合金复合线材的获得；ZHU J等研究了脉冲电流作用下相分离合金的凝固行为，发现脉冲电流亦能导致液-液相变过程中第二相液滴发生迁移，促使偏析型凝固组织的形成。
　　2022年第42卷第12期《特种铸造及有色合金》杂志上发表了中科院金属所何杰研究员为学术主编的相分离合金组织调控专题，中国科学院金属研究所江鸿翔副研究员应邀发表了题为＂脉冲电流作用下相分离合金连续凝固过程研究＂，文章以Cu-Bi-Sn相分离合金为对象，试验与模拟相结合，研究了脉冲电流对相分离合金连续凝固组织演变的影响。结果表明，脉冲电流主要通过改变液-液相变过程中弥散相液滴的形核能垒来影响相分离合金凝固过程及组织。随着电流密度峰值的增加，液-液相变过程中弥散相液滴的形核能垒降低，液滴形核率增加，合金凝固组织中弥散相粒子的尺寸减小，有利于弥散型相分离合金复合材料的获得。
　　作者简介
　　[江鸿翔]
　　江鸿翔，男，1988年生，副研究员，沈阳市高层次领军人才。主要从事合金凝固组织控制及优质铝、铜合金制备技术研发方面的工作。中国空间科学学会微重力科学与应用研究专业委员会青年委员；辽宁省颗粒学会理事。作为负责人承担了中科院A类先导专项课题和C类先导专项子课题、国家自然科学基金重点项目任务和青年基金项目、中科院STS项目等工作，作为执行负责人承担了国家重点研发计划项目课题、载人空间站工程项目等工作，项目总经费2000余万元。以第一作者或通讯作者在National Science Review (IF: 23.178)、Acta Materialia (IF: 9.209)、Journal of Materials Science & Technology (IF: 10.32)、Materials & Design (IF: 9.417)、Corrosion Science (IF: 7.72)、Scripta Materialia (IF: 6.302)等刊物上发表论文30余篇(总数70余篇)；获授权发明专利30余项。
　　研究方向:合金凝固组织控制及稀土铝、铜合金研发
　　课题组或部门研究成果简介
　　近20多年来，团队主要从事相分离合金凝固理论、凝固组织控制研究以及金属基复合材料研制方面的工作。承担了国家重点研发计划课题、中国载人空间站工程项目、中科院百人计划项目、国家自然科学基金国际合作重大项目、中科院先导专项课题等研究工作。利用天宫二号以及中国空间站开展了空间微重力下合金凝固行为研究，研发了多种相分离合金复合材料。就相关研究，在National Science Review、Acta Materialia、Journal of Materials Science & Technology、Materials & Design、Corrosion Science、Scripta Materialia等期刊发表论文近300篇，获授权发明专利50余项，获省部级自然科学一等奖1项、二等奖2项、科技进步二等奖1项，参编出版专著和教材3部。
　　【试验材料及方法】
　　采用纯度高于99.9% (质量分数，%，下同)的Cu，Bi和Sn为原料，合金成分为Bi-10Cu-10Sn。采用刚玉坩埚，坩埚外径为8 mm、内径为6 mm、长度为200 mm。利用Bridgeman凝固装置开展脉冲电流作用下连续凝固试验，图1为试验装置示意图。具体试验过程如下：向刚玉坩埚内加入Cu，Bi和Sn；将合金熔体加热至1 173 K并保温30 min，期间进行充分搅拌使熔体成分均匀; 静置10 min后，对合金熔体施加脉冲电流，并将坩埚向下拉入Ga-In-Sn液态金属冷却介质中，使合金连续凝固。对试样的纵切面进行研磨、抛光，用扫描电镜(SEM)观察试样的显微组织，同时用SEM上附带的能谱仪(Energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS) 进行成分分析。利用SISC IAS V8.0定量金相分析软件对微观组织中第二相粒子尺寸和分布进行统计分析。利用ZCR型差热分析仪(DTA)测定合金的相变温度，差热分析所取试样质量为50 mg, 加热和冷却速率均为10 K/min, 结果见图2。可以看出，Bi-10Cu-10Sn的液-液相变开始温度为1 030 K、结束温度为969 K。
　　图1 脉冲电流作用下合金连续凝固装置示意图
　　图2 Bi-10Cu-10Sn合金的DTA升温和降温曲线
　　【图文结果】
　　峰值电流密度、脉冲宽度和脉冲频率的提高有助于增加合金凝固组织中析出相粒子的数量密度、减小析出相粒子的尺寸。
　　在本文试验所施加的脉冲电流密度条件下，脉冲电流对合金熔体温度场、流场及弥散相液滴沿试样径向的迁移几乎没有影响，脉冲电流主要通过改变液-液相变过程中弥散相液滴的形核能垒来影响相分离合金凝固过程及组织。
　　当弥散相液滴电导率大于基体熔体电导率时，脉冲电流使弥散相液滴形核率增加、弥散相粒子尺寸减小，有利于弥散型相分离合金凝固组织的获得。
　　图3 脉冲电流作用下Bi-10Cu-10Sn合金以不同速度凝固后的显微组织
　　(a) 8 mm/s, 无ECPs (b) 10 mm/s, 无ECPs (c) 12 mm/s, 无ECPs (d) 8 mm/s, ECPs (e) 10 mm/s, ECPs (f) 12 mm/s ECPs
　　图4 不同脉冲宽度条件下Bi-10Cu-10Sn合金以10mm/s连续凝固组织
　　(a)无ECPs (b) 4   μs   , (c) 6   μs    (d) 10   μs
　　图5 不同脉冲频率条件下Bi-10Cu-10Sn合金以10mm/s连续凝固组织
　　(a) 20 Hz, (b) 35 Hz, (c) 50 Hz (d) 100 Hz
　　采用有限体积法对温度场、浓度场、流场和弥散相液滴尺寸分布函数连续性方程进行离散、数值求解，并与Cu-Bi-Sn合金相图计算程序相耦合，可模拟Cu-Bi-Sn合金连续凝固过程中的组织演变行为。采用等化学势法，对Cu-Bi-Sn合金相图进行了计算(相关热力学数据见文献)。结果表明，对于Bi-10Cu-10Sn合金，液-液相变开始温度为1 032 K、结束温度为968 K，这与图2的DTA结果相符合，表明了所使用热力学数据及相图计算方法的有效性。利用所建立的模型对脉冲电流作用下Bi-10Cu-10Sn合金连续凝固组织演变过程开展了模拟计算，图6～图7为不同凝固条件下合金中弥散相粒子平均尺寸的数值模拟结果与试验结果。可见，模拟结果与试验测定结果相符合，说明所建立的模型可以描述脉冲电流作用下相分离合金连续凝固过程。
　　图6 脉冲电流作用下Bi-10Cu-10Sn合金以不同速度凝固后弥散相粒子平均半径随凝固速度的变化关系
　　图7 连续凝固Bi-10Cu-10Sn合金内弥散相粒子平均半径随峰值脉冲电流密度的变化
　　图8为Bi-10Cu-10Sn合金以10mm/s速度凝固时凝固界面前沿合金熔体温度分布。可见，模拟结果与试验结果相符合。脉冲电流产生的焦耳热对凝固界面前沿温度分布的影响可以忽略。图9为Bi-10Cu-10Sn合金以10 mm/s速度凝固时凝固界面前沿中心轴线上熔体的流动速度。可见，脉冲电流产生的电磁力对合金熔体流场的影响也可以忽略不计。图10为脉冲电流作用下Bi-10Cu-10Sn合金以10 mm/s速度连续凝固时凝固界面前沿不同径向位置处具有平均直径的弥散相液滴的径向迁移速度。可见，脉冲电流导致弥散相液滴沿试样径向的迁移速度(uE)远小于液滴沿试样径向的Marangoni迁移速度(uMr)，即脉冲电流作用对液滴的空间迁移作用可忽略。
　　图8 脉冲电流作用下Bi-10Cu-10Sn合金以10 mm/s速度连续凝固时凝固界面前沿试样中心轴线温度分布曲线
　　图9 Bi-10Cu-10Sn合金以10 mm/s速度连续凝固时凝固界面前沿中心轴线熔体流动速度
　　图10 脉冲电流作用下Bi-10Cu-10Sn合金以10mm/s速度连续凝固时凝固界面前沿不同径向位置处具有平均直径的弥散相液滴的径向迁移速度
　　图11为脉冲电流作用下Bi-10Cu-10Sn合金以10 mm/s速度连续凝固时弥散相液滴的形核率和数量密度沿试样中心轴的变化关系。可见，随着峰值电流密度的增加，液滴的形核率与数量密度增加，从而促使弥散相粒子尺寸的减小(见图7)，出现以上结果的原因为：对于Bi-10Cu-10Sn合金，凝固时析出相为富(Cu, Sn)相，基体为富Bi相，基体电导率小于弥散相电导率，即
　　脉冲电流导致弥散相液滴形核能垒降低，形核率与数量密度增加。
　　图11 脉冲电流作用下Bi-10Cu-10Sn合金以10 mm/s速度连续凝固时凝固界面前沿弥散相液滴形核率(I)和数量密度(N)沿试样中心轴分布
　　【文献引用】
　　江鸿翔,赵浩宇,李彦强,等.脉冲电流作用下相分离合金连续凝固过程研究[J].特种铸造及有色合金,2022,42(12):1480-1485.
　　JIANG H X,ZHAO H Y,LI Y Q,etal.Continuous solidification process of immiscible alloys under electric current pulses[J].Special Casting & Nonferrous Alloys,2022,42(12):1480-1485.