强磁场对Al-40%Cu合金中Al2Cu析出相的影响

张天会， 晋芳伟， 任忠鸣， 徐人平

(1.昆明理工大学机电工程学院，昆明 650051;2.三明学院物理与机电工程系，福建三明 365004;3.上海大学材料科学与工程学院，上海 200072;4.云南农业大学工程技术学院，昆明 650201;)

近年来，随着低温超导磁体技术的发展使得强磁场的获得日趋便利，这促进了强磁场在材料科学研究领域的应用。对于常规磁场(强度为0.01T)的应用通常局限于铁磁性材料，这是因为非铁磁性材料的磁化强度只是铁磁性材料的106之一，甚至更低，因此，常规磁场对非铁磁性材料的影响通常被忽略，但当磁场强度提高103倍时(例如10T)，由于磁化能与磁场强度的平方成正比，于是磁化能提高约(103)2=106倍，这可对磁化强度作出补偿，此时，磁场力对非铁磁性材料的作用已不容忽视［1］。一些实验事实表明:不仅铁磁性材料在磁场中凝固时有取向组织产生［2］，而且非铁磁性材料在强磁场中凝固时也观察到取向组织［3］。关于凝固组织的取向机制，有一种观点认为:由于晶体在不同晶向上具有不同的磁化率，因而晶体在磁场中将受到磁力矩的作用而发生转动，最终导致晶体取向［4］。当金属或合金在磁场中凝固时，析出相(粒子或纤维)在磁场作用下发生旋转、聚合，并形成取向组织(或有序织构)。磁场对析出相晶粒的作用大致可分为三个阶段:第一阶段是晶粒在磁力矩的作用下发生转动［5］;第二阶段是转动后的晶粒被磁化;第三阶段是已磁化晶粒之间的磁相互作用。

Al-Cu系列合金是工业生产中应用非常广泛的一类结构材料。为改善合金性能，研究者在制备技术方面进行了大量研究，如连续铸造技术［6］、流变铸造(压铸)［7］、快速凝固［8］及电磁搅拌［9］等。20世纪80年代初Mikeson等人［3］的研究发现，Al-35%Cu(质量分数，下同)合金在1T静磁场中凝固时，组织中有细小枝晶沿磁场方向的取向。在实验研究中不加磁场时，Al-40%Cu母合金的重熔凝固组织为初生θ(Al2Cu)相和片状共晶基体组织组成，θ相为不规则粒状，无规则分布于基体组织中。施加10T磁场时，重熔凝固组织中，析出相Al2Cu形成与磁场方向成一角度的规则排列的平面层状组织。这种组织的形成使材料具有原位复合材料的性质，同时，与层状组织平行方向的电导率和磁导率将会提高，因此，磁场的作用改善了材料的电学、磁学等物理性能。另外，对析出相Al2Cu晶粒间的磁相互作用力进行了估算。

1 实验方法

采用纯度为99.9%的铜及99.99%的铝制备Al-40%Cu母合金，母合金浇注成直径为10mm，长80mm的棒状。将母合金棒截成约为25mm长的小段，用孔径为10mm的石墨管将小段封装后置于强静磁场下进行重熔凝固实验。实验装置如图1所示，超导磁体产生纵向的均匀静磁场，磁场强度在0～14T之间连续可调。加热炉置于超导磁体空腔内，炉和磁体腔壁之间装有圆柱形铜套水冷系统，加热炉中的温度采用WZK-1温度调节仪进行控制，控温精度为±1℃。石墨管和不锈钢杆通过螺纹连接，调节钢杆的长度可将试样悬挂在加热炉中，根据实验要求，可放松不锈钢杆顶端的固定螺栓而将试样直接落入磁体下方的水槽中进行淬火。凝固实验完毕后，将试样从石墨管中取出，沿试样的横截面(横向)和纵截面(纵向)将试样切开，经预磨、抛光、腐蚀后制备成金相试样，采用Leitz光学显微镜对试样的组织特征进行分析。

图1 强磁场中的凝固实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of solidification equipment in high magnetic field

2 结果与讨论

2.1 实验结果

图2为Al-40%Cu母合金的显微组织。其中，图2a为圆柱形合金棒横截面的组织，图2b为纵截面的组织。纵、横截面的组织均为析出相θ(Al2Cu)与共晶组织 α+θ(Al/Al2Cu)组成，灰白色相为Al2Cu，析出部分为熔断的枝晶臂，无规则分布于基体组织中，而且从图中可以看出，纵、横截面的组织基本相同。将试样以约10°C/min的升温速率加热到600°C(Al-40%Cu合金的液相线温度约为570℃)，保温40min后，以约18°C/min的冷却速率降温至完全凝固，所得试样的显微组织见图3。其中，图3a和图3b分别为不施加磁场时试样横截面及纵截面的显微组织，与母合金的组织(见图2)相比，重熔试样组织中的析出相θ的晶粒变得更小、分布更均匀，纵、横截面的组织均匀程度略有差异，晶粒均为无规则分布，没有方向性。图3c和图3d分别为施加10T磁场时，重熔试样凝固后横截面及纵截面的组织，横截面垂直于磁场方向，纵截面平行于磁场方向。施加磁场后，试样在垂直和平行于磁场方向的截面内均出现规则排列的Al2Cu取向组织。在平行于磁场方向的截面(纵截面)内，取向组织与磁场方向有一夹角(见图3d)。综合图3c和图3d可见，在和磁场方向垂直和平行的截面内同时观察到取向组织，所以最有可能是面取向，即Al2Cu在磁场中沿与磁场方向成一角度的平面内形成取向组织。

2.2 结果讨论

在Al-Cu合金相图中，含铜量为33.2%(质量分数)的点为共晶点［10］，共晶温度是548℃。本实验中的Al-40%Cu为过共晶合金，其组织为α+θ，母合金的组织(见图2)比较典型，θ相(Al2Cu)的一部分为粗大的点状或枝晶状析出相(呈灰白色，分布不均匀)，一部分与 α相(Al，呈黑色)组成共晶组织。母合金经重熔凝固后，析出相变成较细小、形状不规则的点状，分布变得更均匀，见图3a，b，这主要是重熔再结晶所致，不是此处讨论的重点。在母合金的重熔过程中施加强静磁场，所得试样的凝固组织非常特别，试样在垂直于磁场方向的横截面内和平行于磁场的纵截面内均出现规则排列的取向组织(见图3c，3d)，这是由于物质具有内禀磁各向异性，析出相θ在磁场中发生旋转取向，同时，由于析出相晶粒磁化后彼此之间存在磁相互作用，晶粒在此作用下发生聚合，从而形成取向组织。

图2 Al-40%Cu母合金的显微组织(a)横截面;(b)纵截面Fig.2 Microscopic structure of Al-40%Cu master alloy(a)cross section;(b)longitudinal section

图3 Al-40%Cu合金在不同磁场条件下的凝固组织 (a)横截面，无磁场;(b)纵截面，无磁场;(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 理论分析

3.1 磁力矩的作用

在磁场中析出相取向组织的形成大体可分成三个阶段，即形核长大、取向和聚合。事实上这些过程不能截然分开，但由于过冷度的存在，形核长大进行得很快，而取向和聚合则相对较慢，于是可以分开进行讨论。磁场对形核长大的影响主要表现在使组织细化。磁场对晶粒取向的影响主要是由于晶粒在不同的方向磁化率不相同。因此晶粒在磁场中将受到磁力矩的作用。根据磁学理论［11］，晶粒受到的磁力矩为:

其中，Δχ= χ1－ χ2;χ1，χ2分别是沿晶粒易磁化轴和难磁化轴方向的磁化率，两轴方向相互垂直。θ为外加磁场与易磁化轴方向的夹角。V是晶粒的体积，B是外磁场的磁感应强度，μ0=4π×10－7H/m，为真空磁导率。熔体在凝固时要经过固液两相区，在此区域为θ相与液相共存，当θ相晶粒所受的磁力矩Tm大于由于液体黏性所产生的阻力矩时，θ相晶粒将在磁场中发生转动。由于抗磁性晶粒和顺磁性晶粒在磁场中所受的磁力矩的方向是相反的，因此晶粒在磁场中的转动方向分两种情况:对于顺磁性材料，晶粒的易磁化方向将转向磁场方向;对于抗磁性材料，晶粒的易磁化方向将转向与磁场垂直的方向。晶粒转动后，其易磁化轴位于能量最低的方向，并与磁场方向保持一定的角度。转动后的晶粒一般沿易磁化轴方向优先长大并形成取向组织。

3.2 晶粒之间磁相互作用对凝固组织的影响

在2.1的实验结果中提到，由于在和磁场方向垂直的横截面内观察到规则排列的组织(见图3c)，所以最有可能是θ相在平面内聚集，在磁场中形成与磁场方向成一角度的平面取向组织。θ相晶粒在平面内的聚集是由于晶粒之间具有磁相互作用，具体讨论如下。

当凝固进行到固液两相区时，由于析出相晶粒在不同晶向的磁化率不同，晶粒的易磁化轴将向磁场方向发生转动，晶粒转到某一能量最低位置时，转动终止，此时磁场的作用是使析出相晶粒磁化，磁化后的每一个晶粒都像一个磁偶极子，于是晶粒间存在磁相互作用，由磁库仑定律可得到两晶粒之间的相互作用力为:

式中，μ为θ相晶粒在基体中的磁导率，m1，m2分别为晶粒1和晶粒2的磁极强度(或磁偶极矩)，r为磁极间距。

在晶粒的易磁化轴方向聚集最易发生，如果用Me表示晶粒在易磁化轴方向的单位体积磁矩，χe为θ相晶粒在易磁化轴方向的体积磁化率，于是有如下关系:

式中，α为晶粒易磁化轴与外磁场Hex的夹角，V1，V2分别为晶粒1和晶粒2的体积。由(2)，(3)两式可得:

考虑磁场强度和磁通密度B的关系:B=μ0Hex，由(4)式可得:

对于非铁磁性材料，如顺磁性和抗磁性材料，其磁化率χe很小，在常规磁场中，晶粒之间的磁相互作用非常微弱，F通常被忽略，但在较强的磁场中(如10T数量级)磁现象表现得明显，晶粒之间的磁相互作用已不能忽视。对重熔凝固所得组织中的θ相晶粒尺寸进行测量，得到θ相晶粒的平均尺寸(直径)约为50μm，见图3c及图3d。θ相(Al2Cu)是金属间化合物，其磁化率χe较难测定，目前没有可供使用的数据，只能根据其结构式以及Al，Cu的磁化率进行估计。Cu的摩尔磁化率［12］为－ 5.4 × 10－6cm3/mol，铜的密度为 8.9g/cm3，可得Cu的体积磁化率χCu= －7.56×10－7。Al的体积磁化率及磁导率分别为［13］: χAl=6.27 × 10－7，μAl=1.0×10－5H/m。如果认为金属间化合物的磁化率等于每一种金属原子磁化率的总和，则可根据化合物的结构式对其磁化率进行估算，于是可得θ相(Al2Cu)的体积磁化率为:χe=2χAl+ χCu=5.04 ×10－7。(5)式中的μ表示基体组织的磁导率，基体组织是α-Al+θ，因此可取 μ =CμAl，C为修正系数。假设θ相的出现使磁导率降低一个数量级，即取 C=0.1，于是可得 μ =1.0 ×10－6。晶粒体积以平均直径50μm来计算，则磁极间距的最小取值为50μm。由(5)式可见，当磁极间距最小(两晶粒靠近的情况)时，F最大，取r=50μm，对于常规磁场(取 B=0.01T)，可得 F=1.65 × 10－18N;对于强磁场(取 B=10T)，可得 F=1.65 × 10－12N 。可见，在常规磁场中，析出相晶粒间的磁作用力F是很微弱的;而在强磁场中，F已达到液态分子间相互吸引力的数量级［14］，当然，每个晶粒包含很多原子，假如是几个原子时，晶粒间的磁作用力不容忽视，必将显著影响合金的凝固组织。Al-40%Cu合金在10T磁场中凝固时，由于F的作用，相邻θ相晶粒将相互靠近，并在易磁化方向聚合生长，于是形成规则排列的平面层状组织。

4 结论

(1)Al-40%Cu合金在强静磁场中凝固时形成与磁场方向成一角度的规则排列的平面层状组织。

(2)在强磁场中θ相晶粒之间的磁相互作用已达到液态分子间相互作用力的数量级，在磁相互作用力F的作用下，相邻θ相晶粒将相互靠近，并在易磁化方向聚合生长，从而形成规则排列的平面层状组织。

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