水平穩恒磁場對Al-10%Bi合金中富Bi相分布的影響*

康智強，楊　雪，馮國會，張　林

(1. 沈陽建筑大學 市政與環境工程學院， 沈陽 110168；2. 東北大學 材料電磁過程研究教育部重點實驗室， 沈陽 110004)

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水平穩恒磁場對Al-10%Bi合金中富Bi相分布的影響*

康智強1，楊雪1，馮國會1，張林2

(1. 沈陽建筑大學 市政與環境工程學院， 沈陽 110168；2. 東北大學 材料電磁過程研究教育部重點實驗室， 沈陽 110004)

摘要：在有、無磁場作用下進行Al-10%Bi過偏晶合金的凝固實驗，分析了1 T水平穩恒磁場對富Bi相分布的影響。結果表明，磁場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。水平穩恒磁場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。

關鍵詞：水平穩恒磁場；碰撞凝并；Al-Bi過偏晶合金；凝固

0引言

Al-Pb、Al-Bi、Al-Sn等自潤滑軸瓦材料以其獨特的物理性能和力學性能被廣泛應用于汽車、航空航天、船舶、軍用工程機械和民用工程機械等領域[1-2]。但該類偏晶合金是一類存在液-液相分離特性的合金，其凝固過程受到形核、擴散長大、Ostwald熟化、碰撞凝并、彌散相液滴運動以及基體熔體對流等因素直接或間接的影響，導致在常規地面鑄造條件下形成的合金凝固組織出現重力偏析甚至分層現象而失去應用價值[3-5]。為此，人們在空間微重力環境環境下開展偏晶合金液相分離機制的實驗研究。結果表明，空間微重力環境下第二相的Marangoni力和未完全抵消的Stokes力以及熔體與容器的潤濕過程的存在是造成勻質偏晶合金難以獲得的主要影響因素[6]。因此，本文在1 T水平穩恒磁場下進行Al-10%Bi過偏晶合金的凝固實驗，分析了1 T水平穩恒磁場對富Bi相液滴分布的影響。

1實驗

1.1實驗方法

實驗合金成分為Al-10%Bi(質量分數，下同)。用純度為99.99%的金屬Al和Bi為原料實驗，在氬氣的保護下進行。先將稱量好的Al放入充分干燥過的尺寸為?45 mm×165 mm石墨坩堝內加熱，待Al完全熔化后加入金屬Bi；將合金升溫到800 ℃時進行除氣處理，當升至1 000 ℃時保溫10 min，保溫過程中充分攪拌合金以形成均勻熔體；然后，將處于不同溫度的合金試樣逐一置入1 T穩恒磁場發生裝置中，進行磁場作用下合金的凝固實驗，即每隔一段時間取出一支試樣進行磁場作用下的淬火實驗，試樣溫度通過插入的鎳鉻-鎳硅熱電偶測量并用電腦自動采集數據系統進行監控和記錄；最后，將獲得的柱狀樣品(尺寸為?7.8 mm×42 mm)沿縱向剖開，拋光后在掃描電子顯微鏡(SEM)進行顯微組織觀察，應用圖像分析軟件進行定量金相分析，測定富Bi相液滴的平均直徑、尺寸分布和數量密度。無磁場下(0 T)的Al-10%Bi偏晶合金凝固實驗過程與磁場下的實驗過程相同，僅在凝固過程中不施加磁場。

1.2實驗結果與分析

圖1顯示了有、無磁場作用下，不同凝固時間的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過偏晶合金凝固初期(T1=766 ℃，t=21.4 s)，兩種實驗條件下的合金均出現了較大尺寸的富Bi相液滴，但隨著合金凝固過程的進行，無磁場作用下的過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相液滴幾乎沒有增加。因此，水平穩恒磁場對富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、無磁場作用下，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水平穩恒磁場作用下，670 ℃時Al-10%Bi過偏晶合金試樣上部富Bi相液滴的平均直徑約為3.9 μm大于無磁場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明顯小于無磁場作用下液滴的平均直徑5.01 μm，磁場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磁場作用下的68%。

圖1　有、無磁場作用下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、無磁場作用下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

由此說明，磁場通過縮小試樣上部、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。通過對試樣不同位置的富Bi相液滴的平均直徑進行對比，水平穩恒磁場阻礙了富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)顯示了水平穩恒磁場作用下，該成分合金試樣上部富Bi相液滴的密度大于無磁場作用下的液滴密度，試樣下部富Bi相液滴的數量密度明顯小于無磁場作用下試樣下部彌散相液滴的數量密度。分析認為，水平穩恒磁場促進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。但由磁場作用下的試樣下部富Bi相液滴的數量密度減小可見，磁場對碰撞凝并的抑制導致液滴數量的增加遠小于磁場對重力遷移的抑制導致液滴數量的減少。因此，水平穩恒磁場主要通過抑制重力沉降來影響試樣下部富Bi相液滴的數量及分布。

2水平穩恒磁場對富Bi相分布的影響

Stokes運動、Marangoni遷移、基體熔體對流會引起富Bi相液滴間的碰撞凝并及粗化。在水平穩恒磁場作用下，流動的導電熔體內將產生感應電流，此電流與磁場相互作用，產生了阻礙基體熔體流動的電磁力[7]。此力不僅減緩了基體熔體對流，減弱了富Bi相液滴的運動速度，還對由基體熔體對流，液滴的Stokes運動和Marangoni遷移導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磁場通過改變液滴的受力狀況來影響富Bi相分布

在橫向靜磁場作用下，液-液相變過程中的富Bi相液滴受到Stokes運動引起的Stokes粘滯力FS[8]，Marangoni遷移導致的Marangoni力FM[8-9]，以及液滴運動過程中切割磁感線產生的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算得出

(1)

(2)

(3)

式中，?σ*/?T為界面張力梯度，可由下式計算得出

圖3為磁場作用下單個富Bi相液滴受力示意圖。

圖3磁場作用下單個富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相液滴的運動方向相反，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的相對大小。由式(2)～(3)計算后表明，穩恒磁場減弱了富Bi相液滴的Stokes沉降和Mrangoni遷移，但與組元間密度差導致的Stokes粘滯力和溫度梯度導致的Marngoni力相比，此電磁力較小，不能完全抑制Stokes沉降和Marngoni遷移[9]。磁場對富Bi相液滴間碰撞凝并示意圖見圖4所示[12]。

圖4磁場對富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磁場通過減弱基體熔體對流來影響富Bi相分布

恒定磁場對基體熔體對流的抑制程度可用Ha(哈特曼數)確定，以及根據Ha數范圍的不同來選擇熔體有效粘度的計算公式[13]，即

(4)

(5)

當富Bi相液滴相互靠近且未發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流現象的產生。在磁場作用下產生的Lorentz力的分量與被排除的基體熔體的流動方向相反，進而對富Bi相液滴間的碰撞凝并起到阻礙作用。分析認為，施加水平穩恒磁場相當于增加了基體熔體的有效粘度，提高了描述熔體流動的Gr(格拉曉夫數)和Ra(瑞利數)的臨界值，抑制了熔體對流，從而減小了因熔體內對流導致的富Bi相液滴間的碰撞粗化機率[15]。

2.3磁場通過減緩液滴Stokes運動和Marangoni遷移來影響富Bi相分布

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

(6)

(7)

由式(6)和(7)可以看出，Stokes運動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，因而較大的液滴運動速度較快，將追逐捕捉尺寸較小的液滴，進而促使液滴發生Stokes凝并與Marangoni凝并。因此，彌散相液滴的Marangoni遷移和Stokes運動是引起彌散相液滴碰撞凝并的主要原因。施加磁場后，彌散相液滴的Stokes運動速度和Marngoni遷移速度降低，進而使液滴的終端運動速度降低，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結論

(1)水平穩恒磁場能夠提高描述熔體流動的Gr和Ra的臨界值，減小因熔體內對流導致的富Bi相液滴間的碰撞粗化。

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

(3)水平穩恒磁場能夠減緩富Bi相液滴的Stokes沉降、Marngoni遷移和基體熔體對流，以及對由以上3種因素引起的液滴間碰撞凝并想象進行阻礙，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：1001-9731(2016)07-07173-04

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51401133)；遼寧省科學技術基金資助項目(20141074)；遼寧省教育廳科學研究資助項目(L2014230)；沈陽建筑大學學科涵育項目(XKHYZ-48)

作者簡介：康智強(1980-)，女，遼寧鞍山人，副教授，碩士生導師，從事磁場作用下偏晶合金的相分離和組織形成規律的研究。

中圖分類號：TG146

文獻標識碼：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，FENG 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，E-mail: kangzhiqiang101915@163.com