作者：郑晓蒙
Al-Ni合金是一种重要的轻型结构材料，具有良好的铸造性能以及高的导电、导热性能。Al3Ni相属于高温相，在高温条件下具有良好的力学性能，若将其作为Al-Ni合金中的增强相，必定会大幅度提高合金的高温性能。但是在传统铸造工艺条件下，Al3Ni相大体呈板条状分布，严重影响了合金的综合力学性能。Al3Ni相沿一定方向定向排列，可作为提高Al-Ni合金力学性能的一种有效手段，但是在凝固过程中如何实现Al3Ni相的定向排列仍需进一步研究。
近年来，磁场在材料学研究领域得到了广泛的应用，并逐渐成为一种控制材料结构和性能的手段。研究表明，在Al-Ni合金的凝固过程中施加稳恒强磁场，可获得取向排列的组织。MIKELSON等发现了稳恒磁场能够使过共晶Al-Ni合金中的Al3Ni相垂直磁场定向生长的现象，但未进行深入和系统的研究。近年来，王晖、李喜等发现Al-Ni合金在磁感应强度为10 T的强磁场中凝固时出现取向组织的现象，并且在垂直磁场方向上，Al3Ni初生相发生了聚合，形成了层间距基本相同的分层组织。王忠英等也发现了11.5T均恒强磁场能够使Al3Ni初生相均匀分布，在平行于磁场方向的截面上Al3Ni初生相沿垂直于磁场方向发生定向排列。虽然10 T以上强磁场作用下Al3Ni相具有组织取向，但是有关微小强度磁场的研究甚少，并且微小强度磁场对控制晶体取向和定向排列有重要的研究价值。因此，本课题研究了磁感应强度为0～1.5T的稳恒磁场对Al-10Ni合金凝固组织和结晶取向的影响。
1 试验方法
采用纯度为99. 99%（质量分数，下同）的纯Al和99. 9%的纯Ni在坩埚电阻炉中熔配出Al-10Ni合金。合金完全熔化后，用石墨棒充分搅拌，使金属液成分均匀，在850℃保温15 min，搅拌均匀后浇注到ф36 mm×85 mm的石墨铸型中，获得成分均匀的合金试棒。再将预热的试棒放人刚玉模具中，在坩埚电阻炉中进行重熔，其中刚玉模具的内外径分别为ф36 mm及ф40 mm，高度为70 mm。为了减缓冷却速度，同时增加磁场的作用时间，刚玉模具外表面包有3层隔热保温材料。重熔试棒完全熔化后，在850oC保温15 min，然后从坩埚电阻炉中将刚玉模具连同合金熔体一起取出，放在稳恒磁场凝固装置中且位于磁极的中心部位，立即启动磁场装置直至合金完全凝固。调节励磁电流的大小可以得到不同强度的磁场，试验中所用的磁感应强度分别为o．3、0.6、o．9、1.2和1.5．T。由于Al-Ni合金凝固过程中可能会产生成分偏析，所以对一次熔炼和重熔后试棒的不同部位进行EDS分析，每个部位取多个区域，最后取平均值，结果见表1。
稳恒磁场凝固装置主要包括磁极、刚玉坩埚、金属熔体和耐火砖，见图1。
将制备好的试样从中部沿平行于磁场方向剖开，经研磨、抛光后，采用体积分数为o．5%的HF酸水溶液进行化学腐蚀，数码相机拍摄试样的宏观组织，光学显微镜观察试样的微观组织，X射线衍射仪测定试样的衍射图谱。
2 试验结果及分析
2.1 稳恒磁场对合金凝固组织的影响
图2为无磁场和稳恒磁场作用下Al-10Ni合金的宏观凝固组织。图2中灰黑色条状物为Al3 Ni初生相，黑色孔洞为凝固缺陷。由图2可知，在无磁场条件下，Al3 Ni相分布不均匀，且取向很混乱；经过磁场处理后，虽然左半部仍出现了取向混乱的AI3 Ni相，但是Al3Ni初生相总体分布变得均匀，同时发生了定向排列。
图3为不同磁感应强度下Al-10Ni合金的微观组织。无磁场条件下，Al3Ni相无方向性的分布在基体中；当磁感应强度为0.3 T时，链状的Al3 Ni析出相开始逐渐按同一个方向有规律的排列，但链与链之间的距离不太规则，见图3b；当磁感应强度为o．6 T时，链状的Al3 Ni晶体大多数都在同一个方向，有相互平行的趋势，见图3c；当磁感应强度为0.9 T时，Al3 Ni相形成了多条相互平行的链状，并且链与链之间的距离比较均匀，见图3d；当磁感应强度大于0.9 T时，随着磁感应强度的增加，链间距减小，定向排列趋势更加明显，Al3 Ni相紧密靠近形成多条相互平行的链状，类似“水帘”，且链与链之间的距离几乎相等。
在磁场的作用下，熔体中析出的每一个微小的初晶都被磁化成一个小磁体。由于磁场的洛伦兹力以及磁体之间的作用，小磁体会发生一定的旋转。在试验中，凝固最初时刻熔体中析出的Al3 Ni晶体是随机分布的。无磁场时，由于熔体内部对流速度大于扩散速度，所以熔体内部的溶质再分配主要通过对流传质控制。在未施加磁场的条件下，对流也没有特定的方向，因此形成的Al3 Ni析出相仍是无方向性、散乱的分布；而在稳恒磁场的作用下，一方面，熔体内部的对流被抑制，此时熔体内部的溶质再分配通过扩散传质控制。由于扩散在垂直于磁场的方向上受到抑制，在平行于磁场的方向上保持不变，因此会形成一个浓度梯度场。此时熔体内局部区域会产生较大的浓度起伏，所以Al3 Ni晶核依次形核、长大，最终出现了定向排列的链状Al3 Ni相。另一方面，Al3 Ni晶体被磁化后在力矩和磁能积的作用下会发生旋转。若Al3 Ni晶体旋转的同时，它们之间的间距在一个有效范围内，Al3 Ni晶体会沿着磁场的方向发生定向排列聚集。在聚集的过程中Al3 Ni析出相长大到一定的尺寸时，晶体之间可能会相互接触，那么定向排列聚集过程会受到阻碍，一旦Al3 Ni晶体在磁场中所受的合力达到平衡时，定向排列聚集长大的过程就会结束，因此最终呈现出Al3 Ni析出相紧密靠近形成了相互平行的链状，也就是所谓的定向排列的现象。
2.2 直流磁场对X射线衍射图谱的影响
图4是不同磁感应强度下Al- Ni合金试样的X射线衍射图谱。可以看出，试样由α-Al和Al3 Ni两种相组成，在磁场作用下，X射线衍射图谱有了显著变化。无磁场时，α-Al的三强峰所对应的晶面依次是(311)、(111)、(200)面；当磁感应强度为0.3 T时，最强峰(111)比其他峰的强度高出很多，其余两个峰为( 311)和(200)晶面；当磁感应强度为0.6 T时，三强峰依次是(111)、(200)、(220)面；在0.9 T的磁场作用下，三强峰变化不大，分别是(111)、(200)、( 311)面；当磁感应强度为1.2 T时，磁场和0.3 T的磁场对试样X射线的影响是相同的，三强峰均为(111)、(311)、(200)面；当磁感应强度为1.5T时，磁场能显著改变三强峰所对应的晶面，最强峰从(111)转移到(220)，其他两个峰为(111)和(311)晶面。总之，经过磁场处理，基体α-Al(lll)晶面的晶粒数量增多，即在(111)晶面形成了明显的择优取向。
无磁场时，合金中的Al3Ni相不同晶面的衍射峰均大量出现，表明析出相无明显晶体学取向关系；施加磁场后，Al3 Ni相(020)，(230)，(040)晶面衍射强度都有不同程度的增强；当磁感应强度为0.3 T和1.2 T时，(020)和(040)晶面衍射峰强度显著增强；当磁感应强度为0.6 T时，(230)晶面也变化较大。总之，在磁场作用下，Al3 Ni相在(hk0)面的衍射强度增强，在其他方向的衍射强度减弱甚至消失，可进一步证实直流磁场能诱导Al3 Ni析出相发生c轴取向。
枝晶韵生长具有晶体学择优生长方向，晶体最优长大方向是密排面形成的锥体的主轴方向。晶体在这些方向生长时，原子易于在密度较小的晶面上堆积，所以在垂直于这些晶面的方向晶粒生长较快。在稳恒磁场作用下，自由能降低最强烈的晶面应该是磁化率最大的晶面，并非密排晶面，从而会使择优生长方向受到抑制，生长速度减慢。可以解释为施加磁场后降低了择优生长方向上的驱动力，影响了晶粒的生长速度，从而使合金产生择优取向。所以磁场使Al-10Ni合金中α—Al的衍射峰产生明显变化，形成了择优取向。
当材料被放入均匀磁场中时，其磁化能的表达式为：
式中，μo为真空磁导率；χ为材料的磁化率；V为晶粒的体积；B为磁感应强度。晶粒在稳恒磁场中沿不同方向磁化时，其磁化能的大小不同，从而会产生磁化能差值，其表达式为：
式中，χ为材料在不同磁场方向上磁化率的差值。根据式(2)可知，晶粒在磁场的作用下会沿磁化能最小的方向取向。通常情况下，具有磁各向异性的晶体在稳恒磁场中凝固后，顺磁性晶体会以磁化率最大的晶体轴平行磁场方向排列，而抗磁性晶体则会以磁化率的绝对值最大的晶体轴垂直磁场方向排列。由于Al3Ni晶体结构是斜方晶体，其磁性为顺磁性，且c轴是磁化率最大的方向。所以在Al-Ni合金凝固过程中施加磁场后，Al3Ni析出相以c轴平行磁场方向取向。
3 结 论
(1)稳恒磁场能够使Al-lONi合金中Al3Ni初生相均匀分布，在平行于磁场方向的截面上Al3 Ni初生相发生定向排列，同时显著改变基体Al和Al3Ni相的晶体取向。
(2)在0--1.5 T范围内，随着磁感应强度的增加，Al-10Ni合金中Al3Ni相的定向排列程度逐渐提高，间距逐渐减小。
(3)基体铝相的(311)晶面的生长受到抑制，Al-10Ni合金中Al3Ni相在（hko）面的衍射强度增强，同时以c轴平行磁场方向取向。
4摘要
研究了磁感应强度为0～1.5 T的稳恒磁场对Al-10Ni合金凝固组织及结晶取向的影响。结果表明，稳恒磁场能够使合金中Al3 Ni初生相均匀分布，在平行于磁场方向的截面上Al3 Ni初生相发生定向排列，磁场能显著改变基体Al和Al3Ni相的晶体取向；随着磁感应强度的增加，Al3 Ni相的定向排列程度逐渐提高，间距逐渐减小；基体铝相的(311)晶面的生长受到抑制，Al3 Ni相在(hk0)面的衍射强度增强，同时以c轴平行磁场方向取向。
