魏炳波院士Acta Mater：微重力條件下AlAgGe合金的凝固

【引言】

在微重力或零重力條件下，合金熔體在凝固過程中自然對流和熱毛細現象大大減少。因此在微重力或零重力條件下凝固的合金組織與平衡凝固的合金組織有很大的區別。考慮到在國際空間站或宇宙飛船上進行凝固實驗的成本太高，研究人員一般采用落管技術來模擬合金熔體在失重條件下的凝固并研究組織的演變過程和機理。但是通過落管技術制備的合金尺寸很小，故無法通過常規的力學測試手段，如室溫拉伸、顯微硬度，來測試合金的力學性能，所以通常采用納米壓痕來進行力學性能測試。

【成果簡介】

近日，來自中國西北工業大學的魏炳波院士（通訊作者）在Acta Mater.上發表了一篇名為“Structural evolution and micromechanical properties of ternary AlAgGe alloy solidified under microgravity condition”的文章。研究人員通過落管法來獲得研究所需的微重力條件，同時通過XRD、SEM、TEM等表征了不同尺寸的合金液滴凝固后的顯微組織，并用納米壓痕實驗和恒載荷劃痕實驗測試了其相應的力學性能。

通過實驗發現：在微重力情況下，隨著合金液滴的尺寸減小，凝固后的組織更加均勻，相應的力學性能更好；相比與DSC樣品，在微重力情況下，由于較大的冷卻速率和過冷度以及自然對流受限，凝固后的樣品表面形成一層（Ge）層。

【圖文導讀】

圖1：Al-Ag-Ge三元合金相圖

A點代表所研究的合金成分：Al₅₇Ag₁₂Ge₃₁；由于A點位于（Ge）相區，則在平衡凝固過程中的（Ge）為初生相。

圖2：Al₅₇Ag₁₂Ge₃₁合金的DSC圖和XRD分析

(a) DSC曲線；

(b) XRD分析結果：（Ge）為主要相，其次是Ag2Al最后是（Al）。

圖3：DSC樣品的微觀結構分析

(a) 樣品的金相圖；

(b) (a)中局部放大金相圖；

(c) (a)中局部放大SEM圖；

(d-f) (b)中①點、②點和③點的EDS分析結果。

圖4：不同尺寸的合金液滴在微重力條件下凝固后的光學顯微圖片

(a) 平均直徑d= 540μm;

(b) 平均直徑 d=300 μm;

(c) 平均直徑d=100 μm。

圖5：不同尺寸的合金液滴在微重力條件下凝固后的SEM圖

(a) 平均直徑d= 480μm;

(b) 平均直徑d=250 μm;

(c) 平均直徑d=140 μm。

圖6：合金液滴在微重力條件下三條凝固路徑示意圖

隨著合金液滴的尺寸的減小，凝固途徑依次為途徑A→途徑B→途徑C。途徑A：液相→樹枝狀（Ge）初晶→Ag₂Al枝晶→Ge）和（Al）的共晶；途徑B：液相→（Ge）和Ag₂Al的共晶→（Ge）和（Al）的共晶；途徑C：液相→（Ge）、Ag₂Al和（Al）的三元共晶。

圖7：合金液滴的冷卻曲線以及冷卻速率與過冷度隨液滴平均尺寸的變化曲線

(a) 冷卻曲線；

(b) 冷卻速率R_c與過冷度ΔT隨液滴平均尺寸d的變化曲線，R_c1和R_c2分別是下落前的冷卻速率和下落時凝固前的冷卻速率；冷卻速率由Newtonian模型算出，ΔT也是由相應的傳熱模型算出。

圖8：（Ge）層的形成

(a) （Ge）層的形成的示意圖；V_S代表向下的自然對流速率，V_mt代表由溫度梯度產生向里的Ge的遷移速率，V_mc代表由濃度梯度產生的向外的Ge的遷移速率；

(b) （Ge）層厚度δ與形成的可能性Ps隨液滴平均尺寸d變化曲線。

圖9：不同尺寸的合金液滴在微重力條件下凝固后的顯微硬度結果

Regime1 代表相應尺寸下的合金液滴凝固后的組織為樹枝晶加二元共晶組織；Regime2 代表相應尺寸下的合金液滴凝固后的組織為二元共晶組織；Regime3 代表相應尺寸下的合金液滴凝固后的組織為三元共晶組織。

圖10：不同尺寸的合金液滴在微重力條件下凝固后的力學性能

(a) 尺寸為530 μm 的金屬液滴凝固后的劃痕的三維形貌；

(b) (a)中劃痕截面，分別為堆出高度和劃痕深度；

(c) hp和hr隨著液滴尺寸d的變化曲線；

(d) 名義堆出高度rp（rp=hp/hr）隨著液滴尺寸d的變化曲線；

(e) 屈服強度σs和應變硬化指數n隨著液滴尺寸d的變化曲線；

(f) rp和σs/E*隨著硬度Hm的變化曲線，E*為減少的彈性模量。

圖11：不同尺寸的合金液滴在微重力條件下凝固后的摩擦行為（以DSC樣品為參比樣品）

(a) 摩擦系數f沿著劃痕方向的變化曲線；

(b) 平均摩擦系數fm隨著液滴尺寸d變化曲線。

【小結】

通過研究發現：隨著合金液滴直徑從600μm減小到120μm，冷卻速率達到了7.2×103K.s ^-1，而過冷度達到了211K，最終導致合金的凝固后的組織發生了改變：從樹枝狀（Ge）初晶+Ag₂Al枝晶+（Ge）和（Al）的共晶→（Ge）和Ag₂Al的共晶+（Ge）和（Al）的共晶→（Ge）、Ag₂Al和（Al）的三元共晶，而（Ge）也變得越來細小彌散，從而導致合金的力學性能的提高。另外（Ge）層的形成是由于由濃度梯度產生的向外的Ge的遷移速率大于由溫度梯度產生向里的Ge的遷移速率。隨著合金液滴的尺寸變小，冷卻速率和過冷度的同時增大，從而導致Ge來不及向外擴散，最終導致（Ge）層厚度的減小。

文獻鏈接：Structural evolution and micromechanical properties of ternary Al-Ag-Ge alloysolidified under microgravity condition（Acta Mater，DOI: 10.1016/j.actamat.2017.09.033）

本文由材料人編輯部新人組劉冠華編譯，陳炳旭審核，點我加入材料人編輯部。

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