文：Thomas Werner和Maike Becker，科隆

对结构件而言，金属合金内存在气体夹杂物是一个非常严重的缺陷。为了更好地了解气体孔隙的形成及其与微观结构之间的相互作用，我们在受控温度和大气条件下对铝合金进行了实时X光检查。针对这一主题，本文对位于科隆德国航空太空中心（DLR e.V.）空间物理研究所目前的研究工作进行了概括性描述。气泡和微观结构之间的各种相互作用效应会导致孔隙运动、新晶粒形成微观结构变化和收缩气孔等问题，借助原位图像，它们的原因可被归结为温度、浓度和/或表面张力梯度。

1、引言

结构件缺陷，特别是孔隙和由此引起的次级效应，例如，内应力场，它们对金属构件的质量和机械稳定性起到决定性作用。为了确保产品质量的恒定性，了解孔隙的形成机制及其对周围材料的影响具有重要意义。

人们在金属构件中可以观察到两种类型的孔隙：气孔和收缩孔隙。这两种类型的孔隙往往会同时出现，但它们各自的形成机制却有所差异：

1）、 当熔体的流动受到严重限制，以至于在凝固过程中体积的减少无法再通过加注来补偿时，就会产生收缩孔隙。造成这种情况的一个原因可能在于熔体的高粘度。另外，结构上的阻碍，如复杂的工件几何形状或者在某个空间方向上特别明显或不均匀的微观结构，也会诱发收缩气孔的形成。

2）、对于其气体在固体中溶解度低于液体的材料，在凝固过程中可能会出现放气现象。这个过程会以形成气泡的形式发生。它们的形成在形式上与结晶的成核机制相同。放气行为和气泡增长会受到熔体粘度、凝固速度和环境压力等外部参数影响。此外，形成的气泡还可能发生移动。根据形成位置（在仍然呈完全液态的阶段或则会在部分已经发生凝固的区域）的不同，气泡可以上升或保持附着在周围的微观结构上。

2、试验方法

工件中的多孔性只能采用传统金相方法进行事后分析，即，在凝固过程结束后进行分析。因此，对观察者而言，在多孔性形成过程中发挥作用的复杂过程仍是未知的。

2.1 实时X光检查

然而，在凝固过程中，借助X光射线就可以看到孔隙的形成、微观结构的发展以及孔隙和微观结构之间的相互作用。X射线对比发生在不同材料之间，如铝（Al）、铜（Cu）和气体，这是因为它们对X射线的吸收特性强度有所不同。通常情况下，人们会在透明的X射线炉中进行处理。然后，不同阶段可以通过灰度值对比（强度）差异加以区分。图1示出的是一个实验装置的示意图。微焦点X射线源以锥体形状辐射通过合金样品。X射线探测器由闪烁体和CCD相机组成，前者可以将X射线转换为可见光，后者则可以从空间上读出光信号。每秒钟可拍摄一张图像，这使得样品中的熔化/凝固过程可以被及时记录下来。由此，温度场中的孔隙运动以及它们对生长微观结构的影响就可以以实时视频形式实现可视化。

样品本身被放置于一个梯度炉中。这个梯度炉包含两个彼此独立控制的加热器。这样一来，样品中的温度梯度就可以得到控制。对温度区域进行连续加热/冷却，从热区域到冷区域，或者从冷的一侧到热的一侧，样品就可以发生缓慢熔化。观察到的微观结构的形成取决于温度梯度和加热/或冷却速度等设定的工艺参数，而这反过来又可以决定熔化或凝固速度。样品的厚度为0.15至0.5毫米。这样晶粒和孔隙就不会发生重叠，从而可以保证实现良好的X射线对比。根据试验装置的不同，试验可以在正常的空气或氩气环境中进行。

2.2 气体装载炉

为了确保结果的可重复性以及最大限度地减少对实验产生的外部影响，首先需要研制出一种用于制备样品的特殊炉子[11]。这种气体装载炉可使用规定量的氢气（H）装载所使用的铝合金。铝的特性在于，氢气是其中唯一的可溶性气体，因此，与其他必须测试不同气体的合金相比，可以减少变量的用量。

在研制出的气体装载炉中，通过改变温度、在不同温度下的保持时间、大气压力以及大气中的氢气浓度，可以将精确的气体量溶解到液体金属中。通过随后进行的浇铸和快速冷却过程，可以将这部分气体截留在金属中，同时，还可以对固体过饱和材料进行进一步加工和分析。以铝-铜为例，通过这种方式生产出来的样品的氢含量可以在6.5ppma（0.0.26 ccm/100 g STP）和25.5 ppma（1.01 ccm/100 g STP）之间自由调整。

下述实验中使用的合金是铝-铜（铝-10重量%铜）以及铝-锗（铝-20重量%锗）。二元合金被用作模型系统，以简化来自三项合金（铝枝晶、二元熔体、气体）的数据评估。通过将熔体在真空中保持所需时间，也可以进行放气试验。

3、表面张力对气泡移动的影响

两相之间的表面应力可能导致流动过程会沿着两相界面流动。这种液体从气泡表面张力较低一侧向表面张力较高一侧输送的现象被称为“马兰戈尼效应”，它是以发现者卡罗-马兰戈尼效应命名的。换句话说，在液体被运走的位置处会产生一个负压，而在材料被运向的一侧则会产生一个超压。在一个关于被金属熔体包围气泡的具体案例中，这个气泡会向表面应力较低/压力较低的方向移动。了解气体孔隙的移动方向是非常重要的，因为气泡的集体迁移会导致在对熔体进行合金处理时压射速度以及孔隙的聚集和材料中缩孔的形成。由于表面张力同时取决于温度（T）和合金元素的局部浓度（C），因此，气体孔隙的运动方向会受到这两个参数影响。

为了评估浓度和温度对气泡迁移产生的影响，使用第2章中描述的射线照相法可以观察到铝-铜和铝-锗样品的定向熔化。这样一来，在实验中只有0.2毫米薄的样品将被水平排列，可以阻止孔隙的上升。这样就可以研究表面张力的影响。在这两个系统中，产生的气泡都会向梯度炉较冷的一侧移动。在图2中，气体孔隙的这一运动方向通过各个X光射线图像中的箭头被标记了出来。在气泡后面（图像上的气泡“上方”）形成了一个由富含铜或锗的熔体组成的通道。温度场的倒转也导致了铝-锗合金中运动方向的翻转（此处未示出），这恰恰证实了这一论点。由于对大多数金属而言，表面张力会随着温度的升高而不断下降，直至达到沸点时，表面张力会变为零，此处观察到的向较冷一侧迁移的气泡行为是极其不寻常的。

为了能够评估温度和浓度对气泡运动方向的影响，我们援引了关于表面张力的文献数据，这些数据的测量取决于T和C。由于没有任何关于铝-锗表面张力随温度变化的测量数据，因此，这个测量是借助电磁悬浮系统进行的。在表面张力数据和实时射线照相观察情况的基础上，出现了以下情形：

1）、在铝-铜系统中，浓度的影响占据主导性地位，气泡会缓慢地向富含铝的一侧活动（在本结构中相当于较冷的一侧）。

2）、 在铝-锗系统中，我们发现了表面张力对温度的反常依赖性，即，表面张力随温度的降低而出现降低。这主导着气泡向样品较冷一侧迁移的活动。

这些结果表明，在排除浮力影响的前提下，对气泡运动起到决定性作用的是表面张力。表面张力与材料有关，并且会随着温度和成分的变化而发生变化。因此，我们必须知道这些以来关系并了解孔隙周围的温度和合金浓度分布，以预测其运动方向。

4、气泡与微观结构之间的相互作用

4.1 长效应作用范围

相较于铝合金，氢气的热传导率要低几个数量级。因此，在熔体中形成的气泡可以被认为是一个理想的绝缘体。在梯度炉的温度场中，这样的绝缘体会导致一侧发生热量积聚，而另一侧则会出现温度的相应降低。

由于在金属的凝固过程中，枝晶会受到当地环境温度场的显著影响，这样的冷却区域会导致局部生长加速，凝固前沿会在气泡前隆起（图3）。孔隙直径越大，凝固前沿离孔隙跃进，前沿的局部凝固速度就越快。

4.2 短效应作用范围

一旦枝晶前沿直接到达气泡前沿，就可以观察到其他影响，在下文中，我们将对这些影响加以描述。这其中涉及到枝晶的变形、气泡处新晶粒的成核，以及在气泡附近现有枝晶结构的回熔。

4.2.1 枝晶的变形

有资料显示，枝晶是可以避开气泡的。枝晶生长方向的变化归因于已经提到的马兰戈尼效应。当相应的气泡被卡住时（例如，被卡在样品壁上），气泡不会向一个方向移动，而是会被它周围的液体带向相反方向。这会导致气泡周围形成马兰戈尼流，而富含铝的熔体将被马兰戈尼流输送到枝晶上。它们会沿着马兰戈尼流的流动线生长，因为该处新鲜铝的浓度最大。图4中大孔隙下面的弯曲枝晶就可以归因于这种效应。然而，由于这种效应在孔隙下面的作用范围很短，因此，仅凭这种观察无法明确证明这一点。为此，需要对孔隙周围的熔体浓度进行更为详细的观察和/或计算机模拟。

4.2.2 冠状生长和新晶粒成核

此外，在铝-10重量-%铜合金中，可以观察到当枝晶与气泡完全处于同一高度时，它们是如何发生碰撞的。这种气泡与枝晶的接触往往会导致气泡周围形成冠状枝晶畸形结构。这种新成核的晶体没有任何统一的生长方向，同时，它们还会对其他有规律生长的枝晶形成阻碍。因此，在气泡周围产生了一个无序区域（图5），其中的微观结构不再与优选生长方向相一致。此外，还可以看出，具有不同方向的新晶粒是如何从这个无序区域生长出来，并重新塑造样品整个微观结构的。这种效应表明，气泡可以广泛地改变微观结构，从而也会对最终的微观结构产生影响。

4.2.3 现有微观结构的回熔，溶质区域和收缩现象的出现

新晶粒的成核并不发生在气泡和凝固前沿的每次接触。相反，它也会发生在浓度增加的区域，该区域围绕着气泡，可以防止微观结构在这一区域发生凝固（图6）。除了因此而形成的微观结构不均匀之外，如此大体积的液体可能会导致收缩裂缝的形成：气泡周围熔体的成分与共晶成分接近。反过来，共晶体只会在较低温度下发生凝固，这会导致气泡周围的熔体最后发生凝固。因此，补给不仅不可能，而且会形成收缩。气泡周围锗的积累可以用凝固枝晶的局部熔化来解释。

正如4.1章所提及的那样，气泡起到一个完美的绝缘体的作用，在较热一侧，局部温度会升高。由于温度过高，该处不会生长任何枝晶。在气泡影响范围之外，微观结构将会继续凝固形成铝枝晶，而溶解的锗将会沉淀到剩余熔体中。锗的这种累积会促使共晶体方向上进一步达到浓度平衡，再加上气泡绝缘效应引起的气温升高，气泡会使新生长的直径再次发生熔化。此外，可以观察到的是，凝固的微观结构也会在气泡下边缘再次熔化。这可以归因为前面体积的马兰戈尼效应，在这种情况下，它会将热的熔体沿气泡表面输送至气泡较冷的一侧。这样一来，微观结构也会在该处熔化。在铝-20重量-%锗样品中可以非常清楚地观察到这种效应。对此，一个可能的解释是，这与该系统的大比重溶质相和较大凝固间隔（即，α-铝和铝-锗共晶液相温度之间的较大差异）相关。此外，在大温度梯度条件下，这种效应更为明显。

5、总结与展望

借助实时X射线照相术进行的实验能够解释二元金属合金中气泡的运动以及与温度和浓度相关的基本关系。此外，我们还研究了气泡对生长中枝晶微观结构存在的各种影响。其中，气泡还可以影响凝固前沿的生长速度、成核行为和枝晶的生长方向，除此之外，它们还会间接导致收缩孔隙的形成。从中可以看出，由气泡引起的缺陷远远超过了作为应力集中器的标准考虑。微观结构的变形、新晶粒的成核、诱发收缩裂缝和材料成分不均匀的区域属于次要材料缺陷位置，在研究过程中仍然很难注意到它们。X射线为实时观察金属合金的动态熔化和凝固过程提供了可能性，这样，人们可以更好地了解多孔性的形成和发展以及它与微观结构之间的相互作用。

在未来的研究工作中，我们将继续关注气泡对微观结构演变造成的影响。由于气泡尤其会受到重力和对流的影响，因此，实验室试验中使用的样品将被设计成薄板状（＜500微米），以尽量减少重力造成的影响。薄样品的几何形状可以防止气泡上身，从而减少对流。另一种可能性是在没有重力影响的情况下进行试验。在2021年06月进行的弹道飞行中执行了这样的试验。这种研究的优势在于，如果没有受重力条件限制的影响的叠加，观察到的各种现象可以被明确地归结为基本效应。目前，人们正在对这些数据进行评估，预计可能出现更加深入的见解。