一种冶金过程中提高异质相形核能力的方法

王璐 孙云峻 王丽杉 杨林

摘要：通过气悬浮的方法获得了Al-1wt%Ce合金无容器凝固的过冷度，随后测量了Al-1wt%Ce合金在不同晶面取向单晶MgO基片上凝固的过冷度和润湿角，研究了MgO作为Al-1wt%Ce的异质相形核的作用。实验发现，有MgO异质相形核时的过冷度低于无容器凝固时的过冷度，MgO可以作为合金有效的形核剂。同时，尽管形核相和异质相的晶格匹配度不同，但金属化合物Al4Ce和Al11Ce3形成于合金与MgO基片之间的界面，减小了基底形核的润湿角，使得基底形核更为有效。这意味着可以在形核相与异质相之间引进类似金属化合物作为“过渡层”来提升异质相的形核能力。

关键词：过冷度;润湿角;异质形核

1.引言

在金属冶金过程中，通常要向液态金属中添加形核剂，使金属发生异质形核，以形成细小、均匀的等轴晶粒。该工艺非常重要，直接影响了绝大多数铸造合金的商业价值。在铝合金中，TiB2颗粒是有效的形核剂，在钢中，氮化物、氧化物和碳化物可以在不同条件下充当形核核心[1]。

金属凝固的过冷度以及形核相/异质相之间的润湿角是凝固过程的重要表征参量。Turnbull等人在总结大量实验结果的基础上指出，金属和异质相之间的晶格匹配度决定了异质相能否成为金属形核的有效形核剂，二者之间晶格匹配度越高，晶格错配度小，过冷度越低，润湿角越小，金属越容易发生形核进而凝固[2]。但事实上，界面晶格匹配的准则没有考虑凝固过程中的界面变化以及由此可能产生的总的形核“势垒”的减小。……