強磁場對Al-40%Cu合金中Al2Cu析出相的影響

張?zhí)鞎?晉芳偉， 任忠鳴， 徐人平

(1.昆明理工大學(xué)機電工程學(xué)院，昆明 650051;2.三明學(xué)院物理與機電工程系，福建三明 365004;3.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072;4.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，昆明 650201;)

近年來，隨著低溫超導(dǎo)磁體技術(shù)的發(fā)展使得強磁場的獲得日趨便利，這促進了強磁場在材料科學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用。對于常規(guī)磁場(強度為0.01T)的應(yīng)用通常局限于鐵磁性材料，這是因為非鐵磁性材料的磁化強度只是鐵磁性材料的106之一，甚至更低，因此，常規(guī)磁場對非鐵磁性材料的影響通常被忽略，但當磁場強度提高103倍時(例如10T)，由于磁化能與磁場強度的平方成正比，于是磁化能提高約(103)2=106倍，這可對磁化強度作出補償，此時，磁場力對非鐵磁性材料的作用已不容忽視［1］。一些實驗事實表明:不僅鐵磁性材料在磁場中凝固時有取向組織產(chǎn)生［2］，而且非鐵磁性材料在強磁場中凝固時也觀察到取向組織［3］。關(guān)于凝固組織的取向機制，有一種觀點認為:由于晶體在不同晶向上具有不同的磁化率，因而晶體在磁場中將受到磁力矩的作用而發(fā)生轉(zhuǎn)動，最終導(dǎo)致晶體取向［4］。當金屬或合金在磁場中凝固時，析出相(粒子或纖維)在磁場作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)、聚合，并形成取向組織(或有序織構(gòu))。磁場對析出相晶粒的作用大致可分為三個階段:第一階段是晶粒在磁力矩的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動［5］;第二階段是轉(zhuǎn)動后的晶粒被磁化;第三階段是已磁化晶粒之間的磁相互作用。

Al-Cu系列合金是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛的一類結(jié)構(gòu)材料。為改善合金性能，研究者在制備技術(shù)方面進行了大量研究，如連續(xù)鑄造技術(shù)［6］、流變鑄造(壓鑄)［7］、快速凝固［8］及電磁攪拌［9］等。20世紀80年代初Mikeson等人［3］的研究發(fā)現(xiàn)，Al-35%Cu(質(zhì)量分數(shù)，下同)合金在1T靜磁場中凝固時，組織中有細小枝晶沿磁場方向的取向。在實驗研究中不加磁場時，Al-40%Cu母合金的重熔凝固組織為初生θ(Al2Cu)相和片狀共晶基體組織組成，θ相為不規(guī)則粒狀，無規(guī)則分布于基體組織中。施加10T磁場時，重熔凝固組織中，析出相Al2Cu形成與磁場方向成一角度的規(guī)則排列的平面層狀組織。這種組織的形成使材料具有原位復(fù)合材料的性質(zhì)，同時，與層狀組織平行方向的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率將會提高，因此，磁場的作用改善了材料的電學(xué)、磁學(xué)等物理性能。另外，對析出相Al2Cu晶粒間的磁相互作用力進行了估算。

1 實驗方法

采用純度為99.9%的銅及99.99%的鋁制備Al-40%Cu母合金，母合金澆注成直徑為10mm，長80mm的棒狀。將母合金棒截成約為25mm長的小段，用孔徑為10mm的石墨管將小段封裝后置于強靜磁場下進行重熔凝固實驗。實驗裝置如圖1所示，超導(dǎo)磁體產(chǎn)生縱向的均勻靜磁場，磁場強度在0～14T之間連續(xù)可調(diào)。加熱爐置于超導(dǎo)磁體空腔內(nèi)，爐和磁體腔壁之間裝有圓柱形銅套水冷系統(tǒng)，加熱爐中的溫度采用WZK-1溫度調(diào)節(jié)儀進行控制，控溫精度為±1℃。石墨管和不銹鋼桿通過螺紋連接，調(diào)節(jié)鋼桿的長度可將試樣懸掛在加熱爐中，根據(jù)實驗要求，可放松不銹鋼桿頂端的固定螺栓而將試樣直接落入磁體下方的水槽中進行淬火。凝固實驗完畢后，將試樣從石墨管中取出，沿試樣的橫截面(橫向)和縱截面(縱向)將試樣切開，經(jīng)預(yù)磨、拋光、腐蝕后制備成金相試樣，采用Leitz光學(xué)顯微鏡對試樣的組織特征進行分析。

圖1 強磁場中的凝固實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of solidification equipment in high magnetic field

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗結(jié)果

圖2為Al-40%Cu母合金的顯微組織。其中，圖2a為圓柱形合金棒橫截面的組織，圖2b為縱截面的組織。縱、橫截面的組織均為析出相θ(Al2Cu)與共晶組織 α+θ(Al/Al2Cu)組成，灰白色相為Al2Cu，析出部分為熔斷的枝晶臂，無規(guī)則分布于基體組織中，而且從圖中可以看出，縱、橫截面的組織基本相同。將試樣以約10°C/min的升溫速率加熱到600°C(Al-40%Cu合金的液相線溫度約為570℃)，保溫40min后，以約18°C/min的冷卻速率降溫至完全凝固，所得試樣的顯微組織見圖3。其中，圖3a和圖3b分別為不施加磁場時試樣橫截面及縱截面的顯微組織，與母合金的組織(見圖2)相比，重熔試樣組織中的析出相θ的晶粒變得更小、分布更均勻，縱、橫截面的組織均勻程度略有差異，晶粒均為無規(guī)則分布，沒有方向性。圖3c和圖3d分別為施加10T磁場時，重熔試樣凝固后橫截面及縱截面的組織，橫截面垂直于磁場方向，縱截面平行于磁場方向。施加磁場后，試樣在垂直和平行于磁場方向的截面內(nèi)均出現(xiàn)規(guī)則排列的Al2Cu取向組織。在平行于磁場方向的截面(縱截面)內(nèi)，取向組織與磁場方向有一夾角(見圖3d)。綜合圖3c和圖3d可見，在和磁場方向垂直和平行的截面內(nèi)同時觀察到取向組織，所以最有可能是面取向，即Al2Cu在磁場中沿與磁場方向成一角度的平面內(nèi)形成取向組織。

2.2 結(jié)果討論

在Al-Cu合金相圖中，含銅量為33.2%(質(zhì)量分數(shù))的點為共晶點［10］，共晶溫度是548℃。本實驗中的Al-40%Cu為過共晶合金，其組織為α+θ，母合金的組織(見圖2)比較典型，θ相(Al2Cu)的一部分為粗大的點狀或枝晶狀析出相(呈灰白色，分布不均勻)，一部分與 α相(Al，呈黑色)組成共晶組織。母合金經(jīng)重熔凝固后，析出相變成較細小、形狀不規(guī)則的點狀，分布變得更均勻，見圖3a，b，這主要是重熔再結(jié)晶所致，不是此處討論的重點。在母合金的重熔過程中施加強靜磁場，所得試樣的凝固組織非常特別，試樣在垂直于磁場方向的橫截面內(nèi)和平行于磁場的縱截面內(nèi)均出現(xiàn)規(guī)則排列的取向組織(見圖3c，3d)，這是由于物質(zhì)具有內(nèi)稟磁各向異性，析出相θ在磁場中發(fā)生旋轉(zhuǎn)取向，同時，由于析出相晶粒磁化后彼此之間存在磁相互作用，晶粒在此作用下發(fā)生聚合，從而形成取向組織。

圖2 Al-40%Cu母合金的顯微組織(a)橫截面;(b)縱截面Fig.2 Microscopic structure of Al-40%Cu master alloy(a)cross section;(b)longitudinal section

圖3 Al-40%Cu合金在不同磁場條件下的凝固組織 (a)橫截面，無磁場;(b)縱截面，無磁場;(c)⊥B，10 T;(d)//B，10 TFig.3 Solidification structure of Al-40%Cu alloy in different magnetic field (a)cross section，non-magnetic field;(b)longitudinal section，non-magnetic field;(c)⊥ B，10 T;(d)//B，10 T

3 理論分析

3.1 磁力矩的作用

在磁場中析出相取向組織的形成大體可分成三個階段，即形核長大、取向和聚合。事實上這些過程不能截然分開，但由于過冷度的存在，形核長大進行得很快，而取向和聚合則相對較慢，于是可以分開進行討論。磁場對形核長大的影響主要表現(xiàn)在使組織細化。磁場對晶粒取向的影響主要是由于晶粒在不同的方向磁化率不相同。因此晶粒在磁場中將受到磁力矩的作用。根據(jù)磁學(xué)理論［11］，晶粒受到的磁力矩為:

其中，Δχ= χ1－ χ2;χ1，χ2分別是沿晶粒易磁化軸和難磁化軸方向的磁化率，兩軸方向相互垂直。θ為外加磁場與易磁化軸方向的夾角。V是晶粒的體積，B是外磁場的磁感應(yīng)強度，μ0=4π×10－7H/m，為真空磁導(dǎo)率。熔體在凝固時要經(jīng)過固液兩相區(qū)，在此區(qū)域為θ相與液相共存，當θ相晶粒所受的磁力矩Tm大于由于液體黏性所產(chǎn)生的阻力矩時，θ相晶粒將在磁場中發(fā)生轉(zhuǎn)動。由于抗磁性晶粒和順磁性晶粒在磁場中所受的磁力矩的方向是相反的，因此晶粒在磁場中的轉(zhuǎn)動方向分兩種情況:對于順磁性材料，晶粒的易磁化方向?qū)⑥D(zhuǎn)向磁場方向;對于抗磁性材料，晶粒的易磁化方向?qū)⑥D(zhuǎn)向與磁場垂直的方向。晶粒轉(zhuǎn)動后，其易磁化軸位于能量最低的方向，并與磁場方向保持一定的角度。轉(zhuǎn)動后的晶粒一般沿易磁化軸方向優(yōu)先長大并形成取向組織。

3.2 晶粒之間磁相互作用對凝固組織的影響

在2.1的實驗結(jié)果中提到，由于在和磁場方向垂直的橫截面內(nèi)觀察到規(guī)則排列的組織(見圖3c)，所以最有可能是θ相在平面內(nèi)聚集，在磁場中形成與磁場方向成一角度的平面取向組織。θ相晶粒在平面內(nèi)的聚集是由于晶粒之間具有磁相互作用，具體討論如下。

當凝固進行到固液兩相區(qū)時，由于析出相晶粒在不同晶向的磁化率不同，晶粒的易磁化軸將向磁場方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，晶粒轉(zhuǎn)到某一能量最低位置時，轉(zhuǎn)動終止，此時磁場的作用是使析出相晶粒磁化，磁化后的每一個晶粒都像一個磁偶極子，于是晶粒間存在磁相互作用，由磁庫侖定律可得到兩晶粒之間的相互作用力為:

式中，μ為θ相晶粒在基體中的磁導(dǎo)率，m1，m2分別為晶粒1和晶粒2的磁極強度(或磁偶極矩)，r為磁極間距。

在晶粒的易磁化軸方向聚集最易發(fā)生，如果用Me表示晶粒在易磁化軸方向的單位體積磁矩，χe為θ相晶粒在易磁化軸方向的體積磁化率，于是有如下關(guān)系:

式中，α為晶粒易磁化軸與外磁場Hex的夾角，V1，V2分別為晶粒1和晶粒2的體積。由(2)，(3)兩式可得:

考慮磁場強度和磁通密度B的關(guān)系:B=μ0Hex，由(4)式可得:

對于非鐵磁性材料，如順磁性和抗磁性材料，其磁化率χe很小，在常規(guī)磁場中，晶粒之間的磁相互作用非常微弱，F(xiàn)通常被忽略，但在較強的磁場中(如10T數(shù)量級)磁現(xiàn)象表現(xiàn)得明顯，晶粒之間的磁相互作用已不能忽視。對重熔凝固所得組織中的θ相晶粒尺寸進行測量，得到θ相晶粒的平均尺寸(直徑)約為50μm，見圖3c及圖3d。θ相(Al2Cu)是金屬間化合物，其磁化率χe較難測定，目前沒有可供使用的數(shù)據(jù)，只能根據(jù)其結(jié)構(gòu)式以及Al，Cu的磁化率進行估計。Cu的摩爾磁化率［12］為－ 5.4 × 10－6cm3/mol，銅的密度為 8.9g/cm3，可得Cu的體積磁化率χCu= －7.56×10－7。Al的體積磁化率及磁導(dǎo)率分別為［13］: χAl=6.27 × 10－7，μAl=1.0×10－5H/m。如果認為金屬間化合物的磁化率等于每一種金屬原子磁化率的總和，則可根據(jù)化合物的結(jié)構(gòu)式對其磁化率進行估算，于是可得θ相(Al2Cu)的體積磁化率為:χe=2χAl+ χCu=5.04 ×10－7。(5)式中的μ表示基體組織的磁導(dǎo)率，基體組織是α-Al+θ，因此可取 μ =CμAl，C為修正系數(shù)。假設(shè)θ相的出現(xiàn)使磁導(dǎo)率降低一個數(shù)量級，即取 C=0.1，于是可得 μ =1.0 ×10－6。晶粒體積以平均直徑50μm來計算，則磁極間距的最小取值為50μm。由(5)式可見，當磁極間距最小(兩晶?？拷那闆r)時，F(xiàn)最大，取r=50μm，對于常規(guī)磁場(取 B=0.01T)，可得 F=1.65 × 10－18N;對于強磁場(取 B=10T)，可得 F=1.65 × 10－12N 。可見，在常規(guī)磁場中，析出相晶粒間的磁作用力F是很微弱的;而在強磁場中，F(xiàn)已達到液態(tài)分子間相互吸引力的數(shù)量級［14］，當然，每個晶粒包含很多原子，假如是幾個原子時，晶粒間的磁作用力不容忽視，必將顯著影響合金的凝固組織。Al-40%Cu合金在10T磁場中凝固時，由于F的作用，相鄰θ相晶粒將相互靠近，并在易磁化方向聚合生長，于是形成規(guī)則排列的平面層狀組織。

4 結(jié)論

(1)Al-40%Cu合金在強靜磁場中凝固時形成與磁場方向成一角度的規(guī)則排列的平面層狀組織。

(2)在強磁場中θ相晶粒之間的磁相互作用已達到液態(tài)分子間相互作用力的數(shù)量級，在磁相互作用力F的作用下，相鄰θ相晶粒將相互靠近，并在易磁化方向聚合生長，從而形成規(guī)則排列的平面層狀組織。

［1］MORIKAWA H，SASSA K，ASAI S.Control of precipitating phase alignment and crystal orientation by imposition of a high magnetic field［J］.Mater Trans JIM，1998，39:814－818.

［2］SAVITSKY E M，TORCHINOVA R S，TURANOV S A.Effect of crystallization in magnetic field on the structure and magnetic properties of Bi-Mn alloys［J］.J Cryst Growth ，1981，52:519－523.

［3］MIKELSON A E，KARKLIN Y K.Control of crystallization progresses by means of magnetic field ［J］.J Cryst Growth，1981，52:524－529.

［4］SUGIYAMA T，TAHASHI M，SASSA K，et al.The control of crystal orientation in non-magnetic metals by imposition of a high magnetic field［J］.ISIJ Int，2003，43:855－861.

［5］王暉，任忠鳴，李喜，等.磁場中Bi-Mn合金中MnBi相定向排列組織的形成規(guī)律和機制［J］.材料工程，2002，(11)，17－21.

［6］張衛(wèi)文，李元元，龍雁，等.半連續(xù)鑄造法制備AlCu/Al梯度材料［J］.中國有色金屬學(xué)報，2002，12(增1)，188－191.

［7］NIROUMAND B，XIA K.3D study of the structure of primary crystals in a rheocast Al– Cu alloy［J］.Materials Science and Engineering(A)，2000，283:70－75.

［8］CONLON K T，WILKINSON D S.Effect of particle distribution on deformation and damage of two-phase alloys［J］.Materials Science and Engineering(A)，2001，317:108－114.

［9］楊成剛，國旭明，洪張飛，等.電磁攪拌對2219Al-Cu合金焊縫組織及力學(xué)性能的影響［J］.金屬學(xué)報，2005，41(10):1077－1081.

［10］王國梅，萬發(fā)榮.材料物理［M］.武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2004:74.

［11］宛德福，馬興隆.磁性物理［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1999:436.

［12］黃昆，韓汝琦.固體物理學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1997:393.

［13］劉靜安，謝水生.鋁合金材料的應(yīng)用與技術(shù)開發(fā)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2004:50.

［14］顧建中.熱學(xué)教程［M］.北京:人民教育出版社，1982:239.