深过冷Co-Sn共晶合金及其含少量第三组元的凝固

摘要

利用熔融玻璃净化和循环过热相结合的方法对Co-24at％Sn共晶合金，Co-20at％Sn亚共晶合金和Co-28at％Sn过共晶合金以及添加少量第三组元Mn、sb后的Co-24at％Sn共晶合金进行了过冷凝固实验。利用高速红外测温仪对熔化和凝固过程中的温度变化进行了监测，并采用双探头方法测定了不同过冷度下凝固时的晶体生长速度。利用光学显微镜和扫描电镜对凝固后试样的宏观与微观组织进行了观察，采用电子背散射衍射技术分析了异常共晶组织中共晶两相α-Co和β-Co3Sn2晶粒的位向情况。在假设过冷熔体中共晶凝固界面以旋转抛物面枝晶生长，且第三组元加入不产生新相的前提下，建立了含少量第三组元过冷共晶合金凝固的理论模型。对过冷共晶合金凝固界面形态、凝固组织形成机制等进行了深入分析。
　　 随第三组元加入量的增大，共晶枝晶的尖端半径减小。第三组元的加入量小于某一临界值时，较小过冷度下共晶生长速度因第三组元的加入而增大，大过冷度下则因第三组元的加入而减小。第三组元的加入量超过临界值时，共晶生长速度恒变小。共晶层片(棒)间距在第三组元加入后的变化与生长速度正好相反。第三组元在共晶两相中的溶质再分配系数相差大时，第三组元加入对共晶生长的影响增大。
　　 Co-24at％Sn共晶合金的凝固组织，在过冷度小于20 K时全部由层片共晶组成。在更高的过冷度下由异常共晶和层片共晶组成，且随着过冷度的增大，异常共晶逐渐增多。所有过冷度下异常共晶中的两相晶粒均是随机取向分布，表明快速凝固阶段共晶两相以耦合方式生长，只是由于温度再辉初生层片共晶发生了重熔分解与熟化。
　　 在所研究的过冷度范围内，Co-24at％Sn共晶凝固界面以海藻状方式生长，其原因是耦合生长时共晶两相的固液界面能各向异性均较低，加之共晶界面分裂后的尖端半径远大于共晶层片间距，使得共晶凝固界面的有效界面能各向异性进一步降低。过冷度较低时，Co-24at％Sn共晶凝固界面为分形海藻状，而当过冷度达到175 K后，界面形貌转变为密集海藻状，并伴随有生长速度的快速上升。
　　 少量Mn和Sb的添加显著改变过冷Co-24at％Sn共晶合金的凝固行为。Mn的添加增大共晶凝固界面的界面能及其各向异性，导致小过冷度下共晶凝固界面由海藻状转变为树枝状，并使中等过冷度下分形海藻向高过冷度下密集海藻转变的临界过冷度增加至182 K，但Mn对共晶生长速度的影响较小，尤其在过冷度较低时。与Mn不同，Sb的添加主要影响共晶生长速度，使低过冷度下的生长速度上升，高过冷度下的生长速度降低，但Sb对共晶凝固界面形态影响较小。
　　 利用相关理论模型对过冷Co-24at％Sn共晶合金凝固时的晶体生长速度进行计算后发现，当稳定性参数采用临界界面稳定性理论所确定的值0.025时，计算值与实验结果相差很大。当采用“微观可解性理论”，令稳定性参数为0.001时，计算值与实验结果在共晶生长界面为分形海藻状时符合较好。