定向凝固和相位稳定

Materials Engineering

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Overview

资料来源:西娜·沙赫巴兹莫哈马迪和佩曼·沙赫贝吉-鲁德波什蒂-鲁德波什蒂,康涅狄格大学工程学院,斯托尔斯,CT

定向凝固区熔化是一种冶金过程,其中晶体的狭窄区域(通常以棒状形式)熔化。炉子沿着杆形样品移动,这意味着熔融区沿晶体移动,熔融区从杆的一端移动到另一端。这种机制在合金中广泛使用,然而溶质原子往往与熔体分离。在这种类型的合金中,杂质也集中在熔体中,并随移动熔融区一起移动到样品的一端。因此,区域熔融最广泛地用于商业材料精炼。图1.显示了高杂质熔融区如何从条形的一侧移动到另一侧。垂直轴是杂质浓度,水平轴是样品长度。由于杂质容易分离到熔融区域,其熔体中的浓度高于固体。因此,当熔融材料到达棒的末端时,杂质将被输送到棒的末端,并将高纯度固体材料留在其后面。

Figure 1
图1:区域熔融方向凝固过程中成分变化的原理图。

本研究采用区域熔融定向凝固装置合成Pb-Cd合金的稳定结构。

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JoVE Science Education Database. 材料工程. 定向凝固和相位稳定. JoVE, Cambridge, MA, (2020).

Principles

除了材料精炼,区域熔融定向凝固能够发展稳定的微观结构。然而,在液体中具有扩散过程(接近固体液体界面)可能会导致熔体中的混合和对流,从而导致不稳定的微观结构形成。稳定的相发展在围菌反应中尤为重要。

图2显示了相图中围网反应的示意图。如图2所示,围菌反应是一种凝固反应,其中固相(例如α)和液相(L)在冷却时将形成第二个固相(α)。图中的箭头显示了冷却过程和相位形成方式。

Figure 2
图2:相图中围点反应的原理图。

带带(图3)是方向凝固的围面合金中的一种常见结构,由于液体中的对流振荡模式,增长率相对较低。液体靠近生长界面,相对于另一相冷却不足。因此,初级阶段不能达到稳定状态,而第二阶段在初级阶段之前成核并生长。同样,初级阶段通过在第二阶段的瞬态生长机制中核化,防止第二阶段达到稳定状态,导致α和β相的替代带,形成几乎平行于围场的规划器界面系统。在许多围网系统中都观察到了带状结构,包括Fe-Ni、Sn-Cd、Zn-Cu、Sb-Sn和Pb-Bi。单个层的宽度、它们之间的空间及其稳定性受生长速度和成核温度的影响很大。此外,液体中的成分范围和对流可以改变层结构。

Figure 3
图3:带状结构的原理图(白色:+,黑色:+,G.D.:增长方向)。

本研究旨在采用带熔定向凝固炉,采用一种机制,避免对流的影响。该炉子(图4)是在UConn这里设计和开发的。凝固过程是垂直方向的。因此,如果溶质具有更大的密度,它迁移波纹管的熔体。然后,在炉子冻结熔化材料之前,冷却区会冻结它们有足够的时间对流/混合。因此,该技术仅限于具有相对重溶质的合金。

Pb-Cd、Pb-Bi 或 Sn-Cd 系统的合金应在不同的热梯度和速度下定向凝固,以便为所述系统建立生长条件,这些系统的固体相中扩散相对较慢。所有样品均应用纯金属制成(初始纯度超过99.99%)。

Figure 4
图4:在UConn开发的区域熔冻定向凝固炉。

Procedure

  1. 将 100 μm 铬-阿卢梅尔热电偶(在 0.1 厘米双孔护芯保护管中)插入 8 mm 外径 Pyrex 管中。管长度应约为 30 厘米。热电偶尖端应涂有氮化硼浆料。
  2. 首先将合金熔化在熔炉中,然后通过部分真空将熔融合金引入Pyrex管中,形成所需组合物的棒。为此,使用连接到 Pyrex 管末端的灯泡将熔体吸入管中。
  3. 将样品置于垂直电阻区熔化和冷冻装置中(图4)。加热元件与以下冷气之间的距离设置为 0.5 厘米。
  4. 运行炉子,从下到上垂直移动。建议至少三个方向区熔融冻结通道。
  5. 从 Pyrex 管中取出样品(打破管),并抛光其进行显微结构表征。对于抛光,请使用三步 SiC 纸(600、800 和 1200),然后是氧化铝/胶体二氧化硅磨料颗粒的三个步骤(3μm、1μm 和 0.05 μm)。
  6. 使用光学显微镜分析微结构。

区域熔融定向凝固是一种用于制备固体材料中稳定相的冶金方法。在凝固过程中,熔化的合金冷却成形成固体的各个阶段。使用定向凝固炉,对固体材料内的相形成和稳定过程进行很好的控制。本视频将说明定向凝固的原理,并演示如何在实验室环境中应用它们,在固体样品中开发稳定的微观结构。

首先,让我们仔细看看凝固的过程本身,这涉及到液体的冷却。随着温度的降低,液体的颗粒移动较慢,并开始成核,形成所谓的"固体相"。此原理在相图中说明,该图显示了材料在温度变化时的不同相位。在固体-液体相间附近,发生液体中颗粒扩散的过程。这可能导致混合,并在熔体中产生对流,导致不稳定的微观结构的形成。本视频中的合金由两种类型的固相组成:α相和β相。在围网反应的特定情况下,固相α与液体相互作用,形成第二个固相β。在低增长率下,阿尔法和β相的交替带形成。

这称为"带状过程"。带带结构是液体内部对流振荡模式的结果。组合物范围、液体中的对流、成核温度和生长速度将决定带状结果的特性。这些由单个波段的宽度、它们之间的空间及其稳定性定义。在垂直方向使用区域熔冻炉,是控制凝固过程的一种巧妙的方法。在这个实验中,固体被移动到准备液体的炉子上,然后立即转移到冷却区,冻结熔化的材料。这种转换可以足够快地执行,以避免液相内的对流。热区和冷区之间的热梯度和速度可以很容易地调整,以控制固体相的生长条件。现在,我们将了解这些原则如何应用于使用区域熔融定向凝固炉的实验。

首先,取一根30厘米长的Pyrex管,外径为8毫米。选择一个100微米的Chromel Alumel热电偶,覆盖在0.1厘米的双孔护石管中,其尖端涂有硼-氮化物浆料。然后小心地将热电偶插入 Pyrex 管中。接下来,对合金样品进行称重,并将其放入熔炉中。将熔炉留在熔炉内,直到合金熔化。将灯泡固定在 Pyrex 管的末端,然后用灯泡施加吸力,并将熔体吸入玻璃管中。管子内形成的骑乘将在我们的下一个实验中使用。

将样品放在专为垂直凝固而设计和开发的定制设备中。此设置包括夹在两个冷却系统之间的一个熔炉。加热元件与以下 Cho 区之间的距离设置为 0.5 厘米。将热电偶连接到数据采集模块,然后将此模块连接到计算机。从下到上,继续炉的垂直运行。记录运行时间并确定沿着 Pyrex 管的炉子运动速度。通过考虑熔炉内熔化合金的温度与冷却区温度之间的差值来确定热梯度。

首先,打破玻璃管以去除此样品。使用带锯将样品切割成所需长度,然后使用环氧树脂安装样品。继续按照以下步骤抛光样品。首先,使用 600 级碳化硅纸,然后用 800 级碳化硅纸抛光,最后使用 1200 级。现在使用氧化铝磨蚀颗粒完成抛光。按顺序使用 3 微米、1 微米和 0.05 微米大小的颗粒。样品现在可以通过成像其微观结构进行分析。使用光学显微镜,在纵向和横向轴中获得铅-55镉合金样品的图像。显出由定向区熔融凝固产生的微观结构。

现在,让我们看一下获得的图像。铅-55镉合金样品的纵向和横向显微图显示,在区域熔融定向凝固过程中,形成复合型微结构。这些微观结构取决于热梯度和速度比。首先,从低比率的测量中,在β相的基质中可以看到分枝的树突和α相的细胞。其次,在中度比下,在β相的基质中形成α相的对齐、稳定、未分支的微观结构。

区域熔融冷冻定向凝固炉是控制各种应用材料中稳定微结构发展的有力工具。在这个冶金过程中,炉子沿着杆状样品移动,并熔化固体的狭窄区域。由于杂质往往在熔体内分离,因此它们与移动的熔融区一起移动到样品的一端。因此,熔融冻结定向凝固炉在商业合金精炼中经常使用。太阳能电池板技术还利用了具有稳定固相的合金。事实上,高质量的半导体对于确保更长的散装寿命和提高太阳能电池的效率至关重要。

您刚刚观看了 JoVE 关于定向凝固和相位稳定性的介绍。现在,您应该了解如何使用基于区域熔化和冻结原理的定向凝固炉控制材料中的微观结构发展。谢谢你的收看。

Results

图5和图6显示了光学显微镜揭示的Pb-55Cd合金定向区熔融凝固所形成的微观结构,其G/V比为两种不同的(G:热梯度,V:炉沿Pyrex管运动的速度)。

在低比(G/V=1.03×10 6(oC.Sec/Cm2))下,微结构由α相矩阵中α相的分支树突组成。然而,在中等G/V比(G/V=1.55±106(o C.Sec/Cm2)下,在β相的基质中形成α相的对齐稳定微结构(未分枝的树突或细胞)。

Figure 5
5:Pb-55Cd合金的纵向(左)和横向(右)显微图,以低比G/V=1.03×10 6(oC.Sec/Cm2)拍摄,显示了稳定的微观结构在区域熔融方向凝固过程中是如何发育的。

Figure 6
6:Pb-55Cd合金纵向显微图,以中等比例G/V=1.55×10 6(oC.Sec/Cm2)拍摄,显示对齐的稳定微结构在区域熔融方向凝固过程中如何发展。

Applications and Summary

本实验证明采用特定类型的区域熔冻定向凝固炉来发展稳定的微观结构。与室温下不均衡的两相不稳定微观结构不同,在室温下通过扩散在几个月内结构退化的两相不稳定微观结构,在样品生长中获得的单相结构不会发生任何变化。

由所述炉子开发的具有稳定相的样品在生物传感器和半导体等不同行业可能具有广泛的应用,在这些行业中,需要具有稳定相的合金来避免长时间应用过程中的降解。此外,该炉还可用于研究对流对稳定、多稳相的形成的影响。

  1. 将 100 μm 铬-阿卢梅尔热电偶(在 0.1 厘米双孔护芯保护管中)插入 8 mm 外径 Pyrex 管中。管长度应约为 30 厘米。热电偶尖端应涂有氮化硼浆料。
  2. 首先将合金熔化在熔炉中,然后通过部分真空将熔融合金引入Pyrex管中,形成所需组合物的棒。为此,使用连接到 Pyrex 管末端的灯泡将熔体吸入管中。
  3. 将样品置于垂直电阻区熔化和冷冻装置中(图4)。加热元件与以下冷气之间的距离设置为 0.5 厘米。
  4. 运行炉子,从下到上垂直移动。建议至少三个方向区熔融冻结通道。
  5. 从 Pyrex 管中取出样品(打破管),并抛光其进行显微结构表征。对于抛光,请使用三步 SiC 纸(600、800 和 1200),然后是氧化铝/胶体二氧化硅磨料颗粒的三个步骤(3μm、1μm 和 0.05 μm)。
  6. 使用光学显微镜分析微结构。

区域熔融定向凝固是一种用于制备固体材料中稳定相的冶金方法。在凝固过程中,熔化的合金冷却成形成固体的各个阶段。使用定向凝固炉,对固体材料内的相形成和稳定过程进行很好的控制。本视频将说明定向凝固的原理,并演示如何在实验室环境中应用它们,在固体样品中开发稳定的微观结构。

首先,让我们仔细看看凝固的过程本身,这涉及到液体的冷却。随着温度的降低,液体的颗粒移动较慢,并开始成核,形成所谓的"固体相"。此原理在相图中说明,该图显示了材料在温度变化时的不同相位。在固体-液体相间附近,发生液体中颗粒扩散的过程。这可能导致混合,并在熔体中产生对流,导致不稳定的微观结构的形成。本视频中的合金由两种类型的固相组成:α相和β相。在围网反应的特定情况下,固相α与液体相互作用,形成第二个固相β。在低增长率下,阿尔法和β相的交替带形成。

这称为"带状过程"。带带结构是液体内部对流振荡模式的结果。组合物范围、液体中的对流、成核温度和生长速度将决定带状结果的特性。这些由单个波段的宽度、它们之间的空间及其稳定性定义。在垂直方向使用区域熔冻炉,是控制凝固过程的一种巧妙的方法。在这个实验中,固体被移动到准备液体的炉子上,然后立即转移到冷却区,冻结熔化的材料。这种转换可以足够快地执行,以避免液相内的对流。热区和冷区之间的热梯度和速度可以很容易地调整,以控制固体相的生长条件。现在,我们将了解这些原则如何应用于使用区域熔融定向凝固炉的实验。

首先,取一根30厘米长的Pyrex管,外径为8毫米。选择一个100微米的Chromel Alumel热电偶,覆盖在0.1厘米的双孔护石管中,其尖端涂有硼-氮化物浆料。然后小心地将热电偶插入 Pyrex 管中。接下来,对合金样品进行称重,并将其放入熔炉中。将熔炉留在熔炉内,直到合金熔化。将灯泡固定在 Pyrex 管的末端,然后用灯泡施加吸力,并将熔体吸入玻璃管中。管子内形成的骑乘将在我们的下一个实验中使用。

将样品放在专为垂直凝固而设计和开发的定制设备中。此设置包括夹在两个冷却系统之间的一个熔炉。加热元件与以下 Cho 区之间的距离设置为 0.5 厘米。将热电偶连接到数据采集模块,然后将此模块连接到计算机。从下到上,继续炉的垂直运行。记录运行时间并确定沿着 Pyrex 管的炉子运动速度。通过考虑熔炉内熔化合金的温度与冷却区温度之间的差值来确定热梯度。

首先,打破玻璃管以去除此样品。使用带锯将样品切割成所需长度,然后使用环氧树脂安装样品。继续按照以下步骤抛光样品。首先,使用 600 级碳化硅纸,然后用 800 级碳化硅纸抛光,最后使用 1200 级。现在使用氧化铝磨蚀颗粒完成抛光。按顺序使用 3 微米、1 微米和 0.05 微米大小的颗粒。样品现在可以通过成像其微观结构进行分析。使用光学显微镜,在纵向和横向轴中获得铅-55镉合金样品的图像。显出由定向区熔融凝固产生的微观结构。

现在,让我们看一下获得的图像。铅-55镉合金样品的纵向和横向显微图显示,在区域熔融定向凝固过程中,形成复合型微结构。这些微观结构取决于热梯度和速度比。首先,从低比率的测量中,在β相的基质中可以看到分枝的树突和α相的细胞。其次,在中度比下,在β相的基质中形成α相的对齐、稳定、未分支的微观结构。

区域熔融冷冻定向凝固炉是控制各种应用材料中稳定微结构发展的有力工具。在这个冶金过程中,炉子沿着杆状样品移动,并熔化固体的狭窄区域。由于杂质往往在熔体内分离,因此它们与移动的熔融区一起移动到样品的一端。因此,熔融冻结定向凝固炉在商业合金精炼中经常使用。太阳能电池板技术还利用了具有稳定固相的合金。事实上,高质量的半导体对于确保更长的散装寿命和提高太阳能电池的效率至关重要。

您刚刚观看了 JoVE 关于定向凝固和相位稳定性的介绍。现在,您应该了解如何使用基于区域熔化和冻结原理的定向凝固炉控制材料中的微观结构发展。谢谢你的收看。

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