定向凝固过程中胞晶生长方向顺流偏转机制的研究.doc

人工晶体学报第 26 卷 第 1 期1997 年 2 月Vol . 26No . 1 J OU RNAL O F S YN T H E T IC CR YS TAL S February ,1997定向凝固过程中胞晶生长方向顺 流偏转机制的研究 3毛应俊 ( 中国科学院上海冶金研究所离子束开放研究实验室 ,上海 200050) 刘建周尧和 ( 西北工业大学凝固技术实验室 ,西安 710072)提要 :本文利用透明模型合金 SCN20 . 7wt % Et h. ,系统考察了定向凝固中强制性生长胞晶在垂直 其生长方向的液相对流作用下形态向顺流方向偏转的机制 发现胞晶生长端前沿流场的不对称 , 形成其溶质分布的不对称 ,导致胞端两侧生长动力学因素的差异 ,是形成胞晶顺流偏转的主要原 因 关键词 :定向凝固 ;强制性生长胞晶 ;顺流偏转 ;透明模型合金Study on Do wnstrea m Alternat ion of Cell Gro wth Direct ion Ca used by Melt Fl o wM ao Y i n gj u n( Io n Beam L abo rato ry ,Shanghai Instit ute of Metallurgy ,Chinese Academy of Sciences ,Shanghai 200050 ,China)L i u J i a nZhou Y aohe( Natio nal L ab. of Solidificatio n Processing ,N . P. U . Xi′an 710072 ,China)( Recei ved 22 A p ri l 1996 , accepted 26 N ove m ber 1996)AbstractA st udy of t he effect of melt flow o n t he cell growt h directio n during unidirectio nal solidificatio nhas been carried o ut by using SCN20 . 7wt % Et hanol t ransparent mo del alloy. Result s indicate t hat melt flow causes t he asymmet rical dist ributio n of solute o n t he cell tip . Thus t he growt h velocit y oft he up st ream side and t he dow nst ream side of t he cell tip are different , w hich causes t he dow nst ream alter natio n of cell growt h directio n .Key words :unidirectio nal solidifcatio n ;crystal growt h directio n ; melt flow ;t ransparent mo del alloy1 引言晶体生长过程中 ,液固界面前沿的液相中所存在的种种对流 ,对最终晶体质量和凝固组织本文 1996 年 4 月 22 日收到 ,1996 年 11 月 26 日收到修改稿 。

3 国家自然科学基金资助项目 形成有着巨大的影响 近年 ,随着凝固基础理论的不断突破 ,人们越来越迫切地认识到界面前 沿三场 (温度场 、 浓度场 、 流场) ,尤其是流场与界面耦合作用研究的重要性 彻底了解液相对 流的传输模式及其对凝固过程的影响 ,并有效地消除对流造成的缺陷和积极地利用对流生长 理想晶体已成为现代凝固科学研究的前沿 1956 年 Flemings〔1〕在铸锭凝固组织里发现了枝晶朝迎流方向生长的特点 ,并在离心铸件 上发现有类似的组织 Flemmings 把这一现象归因于对流的存在 ,使得枝晶生长端的浓度场 变得不对称 ,迎流侧生长阻力减小 此后的研究者们在这方面作了很多的研究 ,但他们的研究 都集中在对流对枝晶生长的影响上2 - 6 刘山等7 利用透明模型合金 SCN2Ace 研究了柱状 晶生长方向在液相对流作用下的变化 发现在垂直于一次臂的对流作用下柱状晶生长方向的改变随生长速度的增加是连续变化的 : 对于胞晶 ,顺流偏转 ; 而枝晶 ,则迎流向改变 刘山认 为 ,造成胞晶顺流偏转的原因是胞晶间的热作用和 Sto kes 力 ,而没提及胞晶生长前沿浓度场 变化所产生的影响 。

显然在一个有热量 、 质量 (溶质) 及动量传输同时存在的晶体强制性生长 过程中 ,综合考虑此三传过程及其相互作用对胞晶生长形态的影响是必要的 本文以实验考 察为基础 ,深入分析在三场中生长的胞晶形态顺流偏转的机制和导致的原因 2 实验方法2 . 1 实验合金本实验采用丁二腈 - 乙醇 ( Succino nit rile20 . 7wt % et hanol) 透明模型合金 ,实时实地观察 定向凝固过程中液相对流对晶体生长的作用 丁二腈具有较低的熔化熵 ,J ackso n 因子 为0 . 97 ,它具有体心立方结构 ,是非小平面生长类型晶体 该模型合金的具体物理性质及凝固特 性见文献 8 2 . 2 实验装置 为了透彻研究液相流动对合金定向凝固界面 形貌和凝固组织的影响 ,必须要对液相流场进行 精确确定 图 1 为透明模型合金强迫对流定向凝固装 置 的 示 意 图 装 有 模 型 合 金 的 试 样 盒 ( 图1a) 位于温度梯度平台上 (平台上装加热器和冷却 器) ,由直流力矩测速电机牵引系统牵动沿温度梯度方向作匀速运动 直流电机由 GKS 高精度伺 服系统控制 ,该系统具有很宽的调速范围和线性 良好的输出特性 ,实际牵引速度可精确控制在 0 .Fig. 1 Sketch of apparat us for in sit u observatio nof directio nal solidificatio n(a) top view ; ( b) side view1～100μm/ s 。

温度梯度平台的冷热两端温度由两套精密控温仪独立地控制在 - 10～95 ℃ 范 围之内 ,精度可达 ±0 . 05 ℃,从而构成可在 0～20 ℃/ mm 范围内连续可调的温度梯度场 图 1b 中的辅助加热器保证了凝固界面前沿的温度场不变 采用透射式显微镜实时实地直接观 测晶体生长的动态过程和界面前沿流场形态并拍摄记录 试样盒内壁空腔厚 500μm ,试样盒 内放置精心加工的叶片 ,由外部磁场带动旋转 ,从而引起液相流动产生平行于固液界面的层 流 液相流速则由在试样盒中放置一定数量密度与液相密度非常接近的惰性颗粒 ( < = 3 ～5μm) 来标定 液相强迫对流流速可精确控制在 0～1000μm/ s 第 1 期毛应俊等 :定向凝固过程中胞晶生长方向顺流偏转机制的研究49实验结果与分析实验观察表明 ,强制性生长胞晶在垂直其生长方向的液相对流作用下向顺流方向偏转 ,见 图 2 3Fig. 2 Downst ream alternatio n of SCN20 . 7wt % et hanol cells( G = 5 . 6 ℃/ mm ,cell growt hvelocit y v = 13 . 8μm/ s ,melt flow velocity U = 500μm/ s f ro m lef t to right)(a) Wit ho ut melt flow ; ( b) Af ter melt flow刘山认为导致胞晶顺流偏转的原因有两个 : ( 1) 胞晶间的相互热作用很强 ,使得处理胞晶 列中的某一个胞晶其上游胞晶释放的结晶潜热传到该胞晶的迎流侧 ,限制了迎流侧的生长 ,从 而产生胞晶的顺流偏转 。

2) Sto kes 力作用在胞晶的端部 ,使胞晶顺流偏转 然而 ,在定向凝固中 ,热流的方向主要由温度梯度控制 并且由于合金的导热系数是溶质扩散系数的约 100 倍 ,液相对流对温度场的扰动将远小于对流对界面前沿浓度场的扰动 所以对流作用下热作 用的变化不足以引起胞晶的偏转 另一方面 ,根据刘山引用的圆球在粘性流体里受到的阻力 Sto kes 公式 ( F = 6ηU R) ,估算出的 Sto kes 力数值很小 ( 约 10 - 8 N 量级) 而且可以看到 ,在 实际胞晶生长中 ,每个胞晶均在胞晶列中并肩生长 ,由于相邻胞晶在空间上对它的限制 ,一个 胞晶端部的受力范围也很难达到整个胞端 显然 Sto kes 力对胞晶顺流偏转所作出贡献并不 占主导地位 胞晶的生长条件接近于对应平界面失稳的成分过冷限 ,其生长方向平行且相反于热流方 向 胞晶的生长形态直接取决于胞晶生长端前沿的温度和溶质分布的变化 自然 ,研究胞晶 的顺流偏转 ,需从界面前沿流场及上述温度和浓度场三个微观过程的相互作用分析着手 实验观察表明 ,定向凝固中的强制性胞晶生长 ,是以胞晶阵列的形式生长 。

因此考察胞晶 在流场里生长形态的变化 ,不能孤立地研究单个胞晶的行为 ,还应考虑单个胞晶与周围胞晶列 在时间和空间条件上产生的相互约束作用 只有在研究胞晶阵列整体行为的基础上 ,具体分析单个胞晶生长端前沿浓度场在流场作用下的变化情况 ,才能找出胞晶生长顺流偏转的机理 现我们来考察熔体以 cm/ s 量级的速率流过胞端时的情况 为便于计算 ,将胞晶生长端形 状简单近似为单球模型 ,如图 3 所示 此时 ,流动的雷诺数为R e = U x / ν( 1)式中特征尺度 x 取为胞端半球直径 ,取值 50μm ( 根据实验测量 , SCN 合金胞端直径在生长 条件 G = 1～10 ℃/ mm , U = 0 . 5～20μm/ s 下 ,不超过 50μm) ;对 SCN 熔体 ,运动粘度 ν为 2 . 6×10 - 6 m2 / s8 :在流动速率 U 为 1cm/ s 时得Re = 0 . 192 ν 1( 2)显然 ,在胞端的熔体流为低雷诺数流动 此 时 ,熔体的粘性力将在流动中发挥主导作用 忽 略惯性项 ,我们得到流动的 Sto kes 运动方程7A U = 0A P = μ A 2 U导=致 Fig. 3 Semisp here model of cell tip+ ρg( 4)这时 ,胞端半球表面的压力分布为 :P = P ∞ - ( 3μU / 2 R ) co sθ( 5)式中P ∞是熔体在无穷远处的压力 。

胞端压力分布如图 4 所示 Fig. 4 Pressure dist ributio n o n t he cell tipFig. 5 Schematic of melt flow pat tern o n t he cell tip因受到相邻胞晶的约束 ,某一胞端半球前沿熔体的流动形式不同于孤立单个胞晶半球置 于流场中其表面附近的流动 图 5 为胞晶生长端前沿流场示意图 熔体流过胞晶 A 的顶点 后 ,沿胞晶 A 背流侧的边界层而下 ,到达胞晶 B 的迎流侧边界层后 ,改变方向沿胞晶 B 迎流侧 而上 ,形成一拐点 D 熔体粘性和胞端表面张力的作用 ,使得胞晶 A 的背流侧压力分布小于 远处熔体压力 ,熔体流经胞端的法线方向速度 U R 由胞端指向外部 ,胞端背流侧边界层里熔体 流动速度梯度受到扰动 ,形成图 5 中的回流 回流将冲刷胞晶 A 的背流侧 ,。