純鎳板焊縫區胞狀晶形成機制淺析

昝 斌，朱 繁，王平義

(金川集團股份有限公司 鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室，甘肅 金昌737100)

1 試驗材料及方法

對厚度5.5mm 的純鎳板材(合金牌號N6)進行等離子焊接(圖1)。板材化學成分(質量分數，%)為，(Ni+Co)99.7，Cu 0.003，Si 0.032，Mn 0.031，C 0.007，Mg 0.015，S 0.001，P 0.0004，Fe 0.027。

圖1 N6板材等離子焊接后照片Fig.1 Picture of N6 plate after plasma wedding

2 試驗結果

對N6板材焊接區取方塊試樣，沿試樣平行于軋制和垂直軋制兩個方向進行金相分析，分別如圖2(a)和圖2(b)所示。從圖2(a)中可明顯看到A晶粒中蜂巢狀的胞晶組織，說明金相截取面與A晶粒胞晶生長方向垂直，而B晶粒與A晶粒取向差別大，則看不到胞晶。圖2(b)中A與B晶粒取向差別較小，可看出B晶粒中存在的胞晶。可以明顯看出，焊縫區金屬胞狀晶均明顯被所在的晶粒晶界嚴格劃分，說明胞狀晶形成在特定晶粒取向形成。圖3是筆者通過熱型連鑄(連續定向凝固，凝固速度40mm/min)，制備的Cu-0.4Sn合金圓桿[1]，其橫截面金相中不同晶粒內的痘狀胞晶生長方向都與宏觀熱流方向相一致，符合成分過冷判據中典型胞晶的生長條件。A晶粒與B晶粒的平面熱流方向一致，而且胞狀晶明顯被所在的等軸晶晶界嚴格劃分，為六邊形與四邊形的網格狀。

圖2 N6板材焊接區金相Fig.2 Metallography of N6 plate in wedding zone

圖3 定向凝固Cu-0.4Sn合金圓桿金相Fig.3 Directionally solidified Cu-0.4Sn alloy round rod metallography

從圖3可以看出，在不同晶粒中的胞狀晶與晶體取學向無關，都與熱流方向也就是定向凝固方向一致，說明胞晶在定向凝固下生長的確與熱流方向平行，與晶體取向無關。

當“成分過冷”使結晶的平界面遭到破壞，在固液界面上出現小的凸起會進入到比住界面處更大的成分過冷區域之中，則小的凸起越長越大，形成胞狀晶[3]。隨著的減少，成分過冷度從小變大，使界面成長形狀從平直界面向胞狀和樹枝狀發展，晶體形貌從平面晶向胞狀晶再到樹枝晶進行轉變。在固液界面上出現小的凸起會進入到比住界面處更大的成分過冷區域之中，則小的凸起越長越大，平滑的固液界面失去穩定性，形成胞狀晶。胞晶沿熱流生長形成過程如圖4所示。

圖4 胞晶沿熱流生長形成過程示意圖[5]Fig.4 Schemaic diagram of cell crystal growth and formation of process along heat flow

3 分析討論

近幾十年來對液態金屬結構和遺傳性方面的研究逐漸形成了一些共識，金屬由晶體狀態向熔體狀態轉變不會引起近程有序結構的重組；金屬熔體是由成分和結構不同的游動的有序原子集團與它們之間的各種組元原子呈現雜亂分布的無序帶所組成。而通常鑄造合金的過熱溫度都不高(高于液相線以上100℃～200℃ )，大大低于液態結構的無序化溫度[4]。

通常認為熔體在不大的過熱下，其結構、熱運動等特點與晶體有較大的相似性。晶體的熔化消除了三維的周期性，但在一定程度上仍保持著原子排列的短程序[5]。

本文中軋制純鎳板材存在一定的變形織構，在之后的焊接過程中，熔化和凝固都非常快，屬于典型的過熱溫度都不高和快速等軸冷卻條件，變形織構一定程度保留到了焊縫區金屬液體中，在等軸凝固條件下焊縫區形成擇優取向的胞狀晶。

4 結論

(1) 根據成分過冷理論判據，在成分過冷不大時，在定向凝固溫度場條件下，金屬液體凝固形成胞狀晶，胞狀晶沿宏觀的熱流方向生長，與晶體學取向無關。

(2) 在金屬液體過熱度不高時，軋制變形織構一定程度保留到了之后的焊縫區金屬液體中，冷卻凝固后形成沿著特定晶體學取向的胞狀晶，呈現“擇優取向” 即沿著特定的晶體取向生長。說明在等軸凝固條件下，金屬液體凝固過程也會出現胞狀晶，此時胞狀晶與晶體學取向有關，呈現“擇優取向”，即沿著特定的晶體取向生長。這種變形織構組織對凝固組織形成過程的微觀機理還需要進一步研究。