李晨笛，張嘉偉，劉鳳國(guó)，婁長(zhǎng)勝

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程， 沈陽(yáng) 110159)

定向凝固組織是非常規(guī)則的，有助于準(zhǔn)確測(cè)量其形態(tài)和尺寸特征，在定向凝固不斷發(fā)展的過(guò)程中，強(qiáng)度、蠕變性和持久性、熱疲勞性等各方面性能均能得到完善[1]。在強(qiáng)磁場(chǎng)下進(jìn)行定向凝固，可改變金屬材料取向及熔體流動(dòng)，使金屬材料的組織和材料性能得到改善[2]。試驗(yàn)選用模擬金屬丁二腈作為研究對(duì)象，丁二腈具有微弱的逆磁性，液態(tài)丁二腈具有微弱的導(dǎo)電性，而且可以彌補(bǔ)金屬不透光、熔點(diǎn)高等一系列缺陷[3]。

在磁場(chǎng)環(huán)境下進(jìn)行定向凝固的技術(shù)，是近年來(lái)材料電磁工藝發(fā)展的重點(diǎn)，時(shí)至今日依然停留在起步階段。很多學(xué)者[4-6]嘗試使用這種方式分析磁場(chǎng)環(huán)境對(duì)凝固界面的影響以及影響的程度，卻沒(méi)有考慮到金屬凝固界面內(nèi)部熱電流的存在。

R.Moreau等[7]對(duì)合金凝固枝晶區(qū)域中熱電磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行研究，指出由于金屬?gòu)睦涠松L(zhǎng)到熱端時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱電流，改變晶體排列組織，進(jìn)而改善材料的性能。在強(qiáng)磁場(chǎng)條件下，洛倫茲力對(duì)晶體凝固時(shí)產(chǎn)生的切向壓力，會(huì)影響金屬液流速的快慢，進(jìn)而影響晶體的凝固過(guò)程，導(dǎo)致最終晶體形態(tài)的差別。受液相晶體流速的影響，晶體的生長(zhǎng)速率可以被控制，而除晶體的主枝晶不受影響以外，其余二次枝晶等生長(zhǎng)都受到阻礙。有研究指出[8-10]，晶體凝固時(shí)的流速隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而變得緩慢，即強(qiáng)磁場(chǎng)抑制金屬液的流動(dòng)、對(duì)流。強(qiáng)磁場(chǎng)作用于流體，產(chǎn)生微小的熱電勢(shì)差，能促進(jìn)晶體的凝固，并使其宏觀組織更為精細(xì)。由此可以得出，強(qiáng)磁場(chǎng)的抑制對(duì)流現(xiàn)象，將粗化晶體的凝固形態(tài)，與此同時(shí)，晶體在磁場(chǎng)下凝固產(chǎn)生的切向壓力以及熱電勢(shì)差，使晶粒尺寸更為細(xì)化。

本文在無(wú)磁場(chǎng)以及1T磁場(chǎng)強(qiáng)度條件下，對(duì)純度為99.927%的丁二腈定向凝固過(guò)程的生長(zhǎng)形貌進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，研究模擬金屬的凝固微觀組織隨時(shí)間變化的形成和演化過(guò)程，并進(jìn)行理論分析，從而探究強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)丁二腈定向凝固行為的影響，推進(jìn)晶體生長(zhǎng)機(jī)制和形態(tài)研究的問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)并自制了定向凝固裝置。該設(shè)備加熱模塊額定電壓 220V，總功率 40W，溫度可在60～80℃之間調(diào)節(jié)；冷卻模塊則采用12V額定電壓，允許通過(guò)的最大電流6A，總功率為144W，可在0～30℃之間調(diào)節(jié)溫度數(shù)值；冷卻端與加熱端相距10mm；采用B011數(shù)碼顯微鏡，放大倍率在40～500倍之間可調(diào)，最高分辨率500W像素；觀測(cè)區(qū)域與冷卻端相距3mm。定向凝固裝置的組裝與各部分元件如圖1所示。

圖1 定向凝固裝置主視圖

1.2 觀測(cè)及分析方法

針對(duì)實(shí)時(shí)觀察丁二腈生長(zhǎng)過(guò)程的尺寸特征剪短半徑R、生長(zhǎng)速度V、枝晶間距λ1進(jìn)行探究，由于觀測(cè)區(qū)域尺寸為1.47mm×1.09mm，將1.47mm平均分為六等分，每份均為0.245mm×1.09mm，取前五份即可，每一份取得相對(duì)應(yīng)的特征尺寸。利用Origin進(jìn)行數(shù)字化踩點(diǎn)和拋物線擬合，得出二次函數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 丁二腈不同溫度梯度生長(zhǎng)形貌

在相同的觀測(cè)區(qū)域內(nèi)，觀察丁二腈在定向凝固過(guò)程中不同的溫度梯度(3℃/mm、4℃/mm、5℃/mm、6℃/mm與7℃/mm)條件下，其生長(zhǎng)形貌和時(shí)間，并進(jìn)行記錄。同時(shí)，針對(duì)不同溫度梯度下丁二腈生長(zhǎng)形貌之間的區(qū)別進(jìn)行比較。圖2表示丁二腈在溫度梯度為3℃/mm的條件下，生長(zhǎng)形貌隨時(shí)間的變化。

由圖2可知，丁二腈在定向凝固過(guò)程中的生長(zhǎng)形貌為斜枝晶。因其枝晶擇優(yōu)生長(zhǎng)方向與溫度梯度方向出現(xiàn)了一定的夾角(θ)，通過(guò)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)夾角θ的極限為20°。其原因在于丁二腈具有體心立方結(jié)構(gòu)，枝晶擇優(yōu)生長(zhǎng)方向〈100〉。

2.2 丁二腈在有無(wú)磁場(chǎng)下的枝晶間距

對(duì)丁二腈一次枝晶臂間距的數(shù)值進(jìn)行分析。圖3表示不同溫度梯度(3℃/mm、4℃/mm、5℃/mm、6℃/mm與7℃/mm)下丁二腈一次枝晶臂間距的數(shù)值。

圖2 丁二腈在3℃/mm溫度梯度下的生長(zhǎng)形貌

圖3 不同溫度梯度下丁二腈一次枝晶臂間距

由于丁二腈凝固過(guò)程中，在不同溫度梯度下，其一次枝晶臂間距尺寸變量不大，數(shù)值變化始終小于25um，說(shuō)明在不同溫度梯度下，丁二腈的凝固過(guò)程中，一次枝晶臂間距變化不明顯。但不同溫度梯度下，該模擬金屬的一次枝晶臂數(shù)值仍有不同，其一次枝晶臂數(shù)值大小關(guān)系為λ17℃/mm<λ16℃/mm<λ15℃/mm<λ14℃/mm<λ13℃/mm，由此可知其一次枝晶臂間距隨溫度梯度的增加而減小。

溫度梯度為4℃/mm、5℃/mm、6℃/mm時(shí)，三個(gè)溫度梯度下的丁二腈一次枝晶間距相近，三者之間的差值不超過(guò)20um；當(dāng)溫度梯度為3℃/mm和4℃/mm時(shí)，兩者之間一次枝晶臂間距差值范圍為40～50um；溫度梯度為6℃/mm與7℃/mm時(shí)，其一次枝晶臂間距差值在25～40um之間。

通過(guò)數(shù)據(jù)比較，在溫度梯度為4℃/mm、5℃/mm、6℃/mm下，丁二腈一次枝晶間距之間的差值較小，由于三者的加熱端溫度同為70℃，三者的一次枝晶臂間距數(shù)值相近，其數(shù)值關(guān)系為λ16℃/mm<λ15℃/mm<λ14℃/mm，這與丁二腈生長(zhǎng)形態(tài)中丁二腈一次枝晶個(gè)數(shù)比值關(guān)系相同，由此說(shuō)明溫度梯度越大越促進(jìn)丁二腈枝晶生長(zhǎng)。

對(duì)丁二腈施加1T的磁場(chǎng)，與無(wú)磁場(chǎng)時(shí)比較丁二腈的一次枝晶臂間距。圖4表示在1T磁場(chǎng)強(qiáng)度下，溫度梯度為3℃/mm，丁二腈一次枝晶臂間距。由此可以看出，由于外加了磁場(chǎng)，丁二腈的一次枝晶臂間距減小。

圖4 溫度梯度為3℃/mm不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下丁二腈的一次枝晶臂間距

2.3 丁二腈尖端半徑

在定向凝固過(guò)程中，對(duì)不同溫度梯度下丁二腈尖端半徑的數(shù)值進(jìn)行分析。圖5表示不同溫度梯度(3℃/mm、4℃/mm、5℃/mm、6℃/mm與7℃/mm)下丁二腈尖端半徑的數(shù)值。

改變其定向凝固的溫度梯度時(shí)，由于丁二腈的生長(zhǎng)尖端半徑尺寸變化不明顯，其數(shù)值變化不超過(guò)5um，說(shuō)明溫度梯度不同時(shí)，隨著丁二腈的生長(zhǎng)，其尖端半徑尺寸無(wú)顯著變化，但尖端半徑在數(shù)值上的差異仍然存在，該數(shù)值由小到大依次為R3℃/mm

圖5 不同溫度梯度下丁二腈尖端半徑

對(duì)丁二腈在不同的溫度梯度下施加磁場(chǎng)強(qiáng)度為1T的磁場(chǎng)，觀查其凝固過(guò)程中的尖端半徑。圖6為1T磁場(chǎng)強(qiáng)度和不同溫度梯度(3℃/mm、4℃/mm、5℃/mm、6℃/mm與7℃/mm)下丁二腈尖端半徑的數(shù)值。

圖6 1T磁場(chǎng)強(qiáng)度的不同溫度梯度下丁二腈尖端半徑

由圖6可知，該模擬金屬的尖端半徑尺寸隨外加磁場(chǎng)的加入而增加，即說(shuō)明磁場(chǎng)促進(jìn)丁二腈晶粒的粗化。在不同溫度梯度下，丁二腈呈斜枝晶生長(zhǎng)，當(dāng)加入磁場(chǎng)強(qiáng)度為1T的磁場(chǎng)時(shí)，晶體形貌不發(fā)生變化，但其枝晶主干發(fā)生粗化，而主干的粗化導(dǎo)致了尖端半徑的粗化。

3 結(jié)論

(1)在不同的溫度梯度下，無(wú)論是否外加磁場(chǎng)強(qiáng)度為1T的磁場(chǎng)，丁二腈的生長(zhǎng)形貌始終未斜枝晶。

(2)在無(wú)磁場(chǎng)條件下，丁二腈一次臂間距可按數(shù)值的大小排列為λ17℃/mm<λ16℃/mm<λ15℃/mm<λ14℃/mm<λ13℃/mm，丁二腈枝晶臂間距隨著溫度梯度的升高而升高。在溫度梯度為3℃/mm下，施加1T的磁場(chǎng)，丁二腈斜枝晶一次枝晶間距減小。

(3)在無(wú)磁場(chǎng)條件下，丁二腈尖端半徑數(shù)值在不同溫度梯度下排列R3℃/mm