离心铸造过程中移动细胞凝固前沿和石墨颗粒间的相互作用外文翻译资料

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离心铸造过程中移动细胞凝固前沿和石墨颗粒间的相互作用

J.K. Kim P.K. Rohatgi

威斯康星-密尔沃基大学材料系，3200-N.Cramer St.-WI 53211。1997.6.16美国出版；1997.10.10修订.

摘要

研究发现，颗粒推移现象在凝固过程中的熔体相比在离心力影响下含有一种较轻的颗粒，这种现象被提出来是将原本含有的平均7％（体积）的石墨颗粒，投在一个9.5厘米外径的模具中，在800和1900转离心旋转铸造铜合金观察。用模型来计算临界接口速度，取决于离心力和蜂窝接口的位置（所述粒子相互作用的接口），并且还对颗粒推标准进行了讨论。据发现，正如随着模具旋转速度的增加粒子速度增加一样，对临界界面微粒速度的影响也是增加的;此外临界界面速度在蜂窝接口的前端是最低的，并从该接口的前端的距离增加而增加。在含有9.5厘米外径模具以800转（1.5 times;103 ms1）旋转5毫米石墨铸铜合金算出的临界界面速度要比由康和Rohatgi (C.G. Kang, P.K. Rohatgi, Met. Trans. 27B (1996) 277).数值获得用于在模具中在1750转（5 times;104 ms1）旋转铸造算出的接口速度更高。实验观察看到，实际接口速度小于临界界面速度下，这一事实导致在最后冷冻间区域由生长树突推动颗粒。Elsevier Science S.A.保留所有权利，1998年。

关键词：细胞凝固前沿;石墨颗粒;离心铸造;粒子推

1. 简介

在间区域粒子的偏析是含有不溶性陶瓷粒子中的金属基复合材料（MMC）的重力铸造观察的共同特征。这已基于所述临界界面速度低于该颗粒通过接口被推压而高于该粒子被接口吞噬进行了说明。这意味着含有熔融颗粒的凝固过程中，当固体或液体界面的速度高于临界界面速度时粒子由接口吞噬，相比该粒子被生长树突被推入最后冷冻间区域的情况下，这导致了颗粒在基质中的更均匀的分布。由于金属基复合材料的性质取决于颗粒在基质中的分布，因此了解颗粒和界面之间的相互作用和及其对颗粒的分布影响是很重要的，然而，通过几个以前的模型计算出的临界界面速度不与几种金属系统的实验观察一致[1]。

粒子推现象模型一般都检查了颗粒与最初平界面之间的相互作用[2–15]，影响这一现象的许多参数都被确定了，包括该颗粒的物理性能和熔体的界面的形状，以及温带梯度，此外，影响粒子后面界面的曲率的界面形状影响粒子推现象，因为作用在粒子上的力受到界面的形状的影响。根据重力的影响下，粒子本身的速度不显著影响关键接口速度，因为它相比于临界界面的粒子的速度是非常小的速度[15]。然而，离心力的影响下，颗粒速度就足以影响临界界面速度。含有分散的石墨颗粒的铜合金的离心铸造的显微观察显示的石墨颗粒的偏析在枝晶间区域可能是由于颗粒被生长的固体或液体界面推动，这表明界面速度小于临界界面速度。肯尼迪和克莱恩[16]提示到，在恒定的离心力，以高冷却速率得到高的接口速度，会导致颗粒被接口吞噬。他们观察到，在铝13-mm的氧化铝粒子的离心力的影响下融化是通过以2毫米每秒的临界界面速度被接口吞噬的，离心力作用下，粒子的速度大于重力铸造过程中的速度，因此，同重力铸造的条件下离心铸造相比，对颗粒和接口之间的相互作用的颗粒速度的效果要重要得多。

本研究探讨粒子的离心力的影响力和界面与交互颗粒曲率下推动的现象，先计算在含有离心力的作用下移动的石墨颗粒的铜合金熔化临界界面速度，然后与含有7体积％的石墨颗粒上离心铸造铜合金的微观结构观测，最后投到一个9.5厘米外径的模具中，分别以800和1900转旋转。

2．实验过程

将铜合金（C90300）用感应炉中的石墨坩埚熔化，在这项研究中使用的铜合金的组成示于表1。在1150℃下，五毫米尺寸的石墨颗粒中加入到熔融C90300铜合金中熔化。将浆料熔融铜合金（3.5千克）和悬浮液中包含7％体积的石墨颗粒通过一个浇注杯倒入插入卧式离心机的石墨模中，在这项研究中分析了两个独立的实验，即模具在800或1900转的不同旋转速度下的情况，在模具旋转时，由于离心力作用，倒入模具的浆料形成了一个圆筒状，由于模具和空气热提取并逐渐凝固成一个圆柱形铸件。在这项研究中制成的圆柱状铸件的尺寸分别为9.5厘米O.Dtimes;8厘米I.Dtimes;13厘米长，样品从铸件的不同区域提取并且进行抛光和显微镜检查。

表1 用于本研究的铜合金的组合物（C90300）

3．模型分析

3.1 关键的接口速度

在离心力的作用下熔体粒子在特定方向上移动，这取决于粒子和熔体之间的密度差。比熔体更重的颗粒会移动到外周边，比熔体更轻的颗粒移动到内周边。鉴于此，铜石墨粒子融化移动到内周。因为熔融状态时颗粒移动受到离心力的影响，所以粒子的终端速度由下式给出[17]：

其中，R是粒子半径，omega;是角速度，rho;是密度，mu;是无颗粒纯铜的粘度熔体，г是颗粒到旋转轴的距离，P和L是粒子和液体，表达式1示出了粒子的速度以及模具的旋转速度取决于颗粒和熔融的性质。由于粒子间的相互作用，颗粒的熔体中的速度依赖于颗粒的体积分数。含有颗粒的熔体粘度被表示为[18]:

其中mu;0是无颗粒熔体的粘度，phi;P是颗粒的体积分数，表达式2被用于计算使用颗粒的平均体积分数含有颗粒熔体的粘度。在现实中，粘度将颗粒通过重力和离心力的运动的影响，将表达式（2）替换带入表达式（1）可求得在离心力影响下，模具旋转时粒子的速度取决于颗粒的熔体体积分数。

当颗粒在离心力下移动远离接口时，熔融颗粒的运动不会受接口影响，作用在粒子上的力拖动力，浮力和离心力。当粒子变得靠近接口时，作用在颗粒上的力包括从颗粒上的流体粘性阻力所产生的吸引力和范德华力或表面能的变化产生的排斥力。不幸的是，粒子和接口之间作用的主排斥力未明确定义，通常，范德华力或表面能的变化被认为是本排斥力，此外，作用于粒子的另一个力是离心力，从而加快粒子的速度。

在离心力作用下，这比重力作用下高得多的粒子速度，可以影响颗粒和界面之间的相互作用，在含有分散颗粒熔体离心铸造中，粒子和接口之间的交互依赖于相对粒子运动的方向凝固方向。分散在铜熔体中的石墨颗粒在离心力作用下移动到内周，他们的移动方向是相同的接口的移动方向。因此，在铜合金含有石墨颗粒在离心力作用下的临界界面速度可以被表示为[19]：

其中，Delta;sigma;的是表面能变化，R是粒径，k是界面的曲率，和Vp为领先于接口的移动方向的界面的粒子的速度。

替换表达式（1）带入表达式（3）可以求出离心铸造时的离心力的作用下的临界界面速度：

表达式（4）是类似于由Stefanescu等人提出的临界界面速度的表达式[13]，它表明临界界面速度取决于粒子在熔融时的浮力。式（4）还示出的是当由于增加了模具的旋转速度导致离心力增加，对粒子的吞噬临界界面速度将增加。

3.2 粒子和接口之间的相互作用对位置依赖性的影响

当粒子接近界面，颗粒和接口之间的交互依赖于相互作用区，从而影响作用于前方的界面的粒子的力。在实际系统中，界面的粒子与接口相互作用之前的形状是树突状或蜂窝状，因此，作用在粒子上的力取决于相对的界面的粒子的位置。图1示意性地示出了蜂窝接口和颗粒移动到模具的内周面之间的相互作用。

图1在粒子和粒子运动的离心力的影响下界面之间的相互作用示意图

蜂窝接口形状可以表示为：

接口在小区的前端的曲率为：

接口的沿界面的曲率为：

式（7）可以用在界面的尖端的曲率k的条款来表示：

蜂窝接口本身的增长是正常的，颗粒可以从接口的前端满足界面以一角度作为颗粒接触界面的远形式，因为，所以式（8）可以简化为：

式（9）表明界面的曲率沿所述蜂窝接口改变，

替换式（9）带入式（4）可以看出临界界面速度取决于其中粒子与其交互的蜂窝接口的位置；

其中x是粒子到接口（KR）的半径的比率。

4.实验结果和讨论

4.1 组织观察

图2示出了石墨和无离心铸造铜合金的富石墨区原本含有7％体积的石墨颗粒被施放在一个9.5厘米外径模具以800转旋转时的微观结构，该图表明石墨颗粒由于密度比铜熔体低在内周附近偏析；另外，在富石墨区本身的石墨颗粒被隔离在最后冷冻间区域，这表明，由于离心力浓缩的内周附近的颗粒被凝固界面在该区域推，并在间区域进一步隔离。图3还示出了含有7体积％的石墨颗粒投放在9.5厘米外径的模具中以1900转旋转离心铸造铜合金的富石墨区的微观结构。该图示出了类似于与图2所示的倾向，即铸件的内圆周附近的石墨颗粒的浓度和在枝晶间区域的石墨颗粒由于拥挤的粒子的界面偏析，根据界面临界速度的概念，对石墨颗粒在枝晶间偏析表明由于粒子界面之间的相互作用可能是积极的，因而固体速度或液体界面在凝固过程中石墨富集区是低于临界界面速度和表面能的变化的，然而，图2和3表明，表面能的变化是由于石墨颗粒的吞噬作用，固化铜基质本来阳性，这进一步导致的石墨颗粒的界面推进

在离心力的作用下凝固，接口从铸造的外周成长可以在离心力作用下移动到内周与颗粒交互，因此，可以预期，吞噬在粒子运动的内圆周速度的增加，所需的关键接口速度增加。铜在石墨颗粒的离心力的作用下熔化移动到内周，因此，该离心力增加，石墨的速度颗粒成为主导因素影响在离心铸造过程中吞噬所需的关键接口速度。图2和图3表明，该石墨颗粒不存在于游离石墨区，它可以假定的石墨颗粒速度大于界面速度，如果接口速度比粒子速度越高，则石墨粒子可以甚至在自由石墨区一直存在于间区域，因此，在离心力的作用下，粒子移动到内圆周，由于其比熔体密度较低的吞噬，很可能是由于离心力的较大影响。

4.2 粒子推标准

粒子推进标准在固/液界面固体颗粒吞没之前已经由几个工人包括zubko[20]诺伊曼和同事[21],Surrappa 和 Rohatgi[22]等人提出了，根据纽曼和同事，如果颗粒/液体的表面能量比粒子/固的低，根据zubko等人结论，粒子是由接口拒绝的，粒子排斥反应的界面发生时，粒子的热传导率的比例是小于统一标准的，Surappa和Rohatgi建议，当lt;1时，颗粒将通过固/液界面被拒绝，其中，rho;是密度，k是热导率，C是热含量，P和L是下标，分别表示粒子和液体，为了验证由纽曼和同事[21]建议的标准，从下面的等式得到颗粒/熔体和颗粒/固体在铜石墨粒子系统的表面能[23]：

并且还能得到颗粒和液体之间的表面张力：

其中sigma;是表面能量，P，S和V是粒子，固体和蒸气，是使用表2中的数据得到的，Wa= -，其中Wa为0.3[24]，表3示出了三种粒子推标准，当施加到含有石墨颗粒的铜合金熔化，预测该石墨颗粒将通过在铜基质中的凝固界面推。这些标准是独立于接口速度的，一些研究者许多实验结果表明，在低界面速度，颗粒通过接口推;然而，当接口速度比临界界面速度高时，颗粒通过该接口吞噬[4,5,7,9]。

图2 （a）在这项研究中表现（i）所述非石墨系区和（ii）富含石墨区制成的圆柱状铸造的横截面的示意图 （b）含7％（体积）石墨粒子，以800转旋转离心铸造铜合金的微观结构：（ⅰ）石墨自由贸易区; （二）丰富的石墨区

4.3 在离心力作用下的临界界面速度

吞噬和颗粒通过接口的按压取决于接口的速度。确定颗粒是否是由铜 - 石墨系统界面推，它必须比较实际的接口速度的临界界面速度。表2示出用于计算在含有铜熔体石墨粒子的临界界面速度的热物理性能。如可从公式（4）中可以看出，临界界面速度由两部分组成：第一项是关系到颗粒和界面的属性，以及第二项与由离心力施加到颗粒上的速度。这些术语的比较提供了离心力的在颗粒推现象的效果。从国家的方程得到的的Delta;sigma;值和表2中一样也是0.3，此值被用来计算临界界面速度。

如前所述，颗粒与蜂窝接口之间的交互依赖于粒子相对的位置，因为作用在粒子通过的界面处的力由界面的曲率，它沿接口变化而变化。当粒子接近界面，在界面形状的改变可以根据粒子到熔体中的纯熔体的热导率的热性能的比来预测，当粒子存在前方的接口，在熔融的热性能和颗粒的差异导致在后面的粒子改变界面的形状的变化。Zubko等[20]，Sasikumar等 [25],和Shangguan等[15] 建议，在纯熔体粒子后面界面形状取决于该颗粒以熔融的比率为基准的热导率，当颗粒的热导率比熔体越高，粒子后面的界面的形状很可能是凸的，并且当该颗粒的热导率比该熔体，后面的界面形状的下颗粒可能是凹的。在合金熔体中，由于粒子的存在阻碍了界面的扩散，因此，粒子的界面速度比在粒子的情况下更慢。这有利于形成的凹界面，导致减少的临界界面速度。在透明的系统中得到的实验结果表明，在合金熔体中的临界界面速度比观察到的界面在纯熔体中的速度低[5,10,15]. 然而，在金属熔体中，Stefanescu等[26]观察到，碳化硅颗粒的存在扰动了铝-镁-碳化硅系统的细胞界面，最近，Mannikar等[27]观察到在前进的凝固前沿形态的粒子效果的定向凝固过程：包括铝–4Cu合金gtCu-Mn-Ce/10SiC和Al–4Cu–1mg gtCu-Mn-Ce/10SiC复合材料。据观察，在铸件底部的颗粒自由区的柱状晶，而含颗粒的顶部显示出胞状树枝晶或等轴枝晶形貌。这表明存在的粒子在界面的界面形态是有影响的。在透明的系统中，在该粒子的背后界面形状的改变可以被观察到。然而，在金属系统中，这个观察是因为其不透明性不可能观察到。在这项研究中，因为在该金属熔液中的界面的形状是推测凸面，凸起界面的曲率被用来计算上为颗粒的吞噬临界界面速度的

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