[发明专利]确定包晶合金定向凝固静置热稳定时液相形核间隔的方法

说明书

本发明公开了确定包晶合金定向凝固静置热稳定时液相形核间隔的方法，由于液相在形核后收到外加温度梯度作用，糊状区中同时发生溶质的扩散引起的熔化/凝固过程，通过过程向糊状区高温部分迁移并最终进入液相区。而自同一形核位置分别迁移的液相在糊状区内会留下迁移的痕迹。因此，本发明通过分析液相自初生相/包晶相这一固/固界面处形核后的迁移痕迹，表征并确定了液相自初生相/包晶相这一固/固界面处形核后的迁移时间间隔。液相形核后的迁移可分为不同阶段，每一阶段内液相迁移的速度均有不同。利用该方法可准确确定包晶合金定向凝固静置热稳定时液相形核间隔。

技术领域

本发明属于包晶合金材定向凝固技术领域，涉及一种确定包晶合金定向凝固静置热稳定时液相形核间隔的方法。

背景技术

为了获得所需的使用性能，包括包晶合金在内的诸多金属材料的生长都使用定向凝固技术。定向凝固由静置热稳定阶段和随后的定向生长阶段组成。在静置热稳定过程中，样品被加热融化，然后在外加的温度梯度下保持静止。由于外加的温度梯度，因而样品被分为不同的区域，这些区域分别对应于静置热稳定过程中不同的冷却范围。因为液相内形成浓度梯度，所以在温度梯度区熔(TGZM)效应作用下，液相内的溶质扩散会导致液相高温端/低温端处会同时发生熔化/凝固现象。由于在静置热稳定过程中液相会进行迁移，因此该现象也被称为液相迁移。定向凝固静置热稳定过程中的液相迁移导致定向生长开始时的液相浓度偏离了合金的初始成分，表明TGZM效应引起的液相迁移在包晶合金后续凝固过程中起着至关重要的作用

尽管在过去的几十年中已经研究了由TGZM效应引起的液体迁移现象，但仍需要弄清楚在静置热稳定过程中液体迁移过程在何处以及如何发生。在定向凝固中，关于液相成核的观察仅限于过热固体颗粒的内部。此外，已经发现，固体中的各种缺陷(例如界面，晶界等) 也可以促进熔化。在过去的几十年中，已经研究了许多包晶体系：L+初生α相→包晶β相，例如Cu-Sn，Ti-Al和其他结构材料。因此，各种研究已经分析了包含静置热稳定阶段的包晶合金定向凝固过程。与其他合金系不同，在经过静置热稳定处理后，包晶系统中位于包晶温度T_P处的糊状区界面将(L+α)和(L+β)两个糊状区分开。不同糊状区内存在的固相是由平衡相图中的冷却路径决定的。因此，初生α相的同时熔化/凝固仅发生在(L+α)糊状区，而包晶β相的同时熔化/凝固仅发生在(L+β)糊状区。由于在糊状区界面处相邻的α相和β相都处于过热状态，因此在理论上液相可能在固-固α-β界面处形核，并且此现象在最近的工作中已有报道。然而，该界面的成核机理和液相迁移过程尚未得到全面研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种确定包晶合金定向凝固静置热稳定时液相形核间隔的方法，研究了固-固α-β界面(糊状区界面)处的液相形核现象。有趣的是，在静置热稳定过程中，液滴在相同的形核位置连续形核。此外，在这项工作中还观察到了包晶温度T_P之上包晶相的非平衡存在。这表明，当液相位于该糊状区界面时，同时进行的熔化/凝固过程应该更加复杂。但是，目前对静置热稳定处理后的包晶合金的分析主要限于糊状区内部。本工作确定了包晶Ni₃Sn₄相可以发生非平衡凝固的温度极限。然后，提出了一种结合了包晶Ni₃Sn₄相非平衡凝固的扩散控制分析模型，以描述液滴从固-固α-β界面的迁移过程。然后，通过该分析预测获得不同液滴的成核间隔。

其技术方案如下：

确定包晶合金定向凝固静置热稳定时液相形核间隔的方法，包括以下步骤：

其中，α指初生相，β指包晶相，T_P指包晶温度，T_a指液滴上端温度，T_b指液滴下端温度，T_T指包晶β相非平衡凝固终止时的温度。