Al_0_53Zn合金近快速定向凝固条件下的胞晶间距选择

第 � � 卷 第 ! 期 ∀ ∀ # 年 ! 月 今 庵 学 玻 ∃ % & �� ∋ ( & ! ) ∗ + ) ,− + ) . ./ 0 1 2∗) 3 2∋ 2∗ ) 4 5 5 5 6 7 5 8 ∀ ∀ # ) 2一 9 & : � ; < 合金近快速定向凝固条件下 的胞晶间距选择 = 冯 坚 黄卫东 林 鑫 李 涛 薛玉芳 周 尧和 >西北工业大学凝固技术国家重点实验室 , 西安 ? 99 ? ! ≅ 摘 要 利用 Α 8Β Χ Δ 6 Ε< 装置考察了 ) 2一 9 & : � ; < 单相合金在近快速定向凝固条件下的胞晶间距选 择规律 & 结果明 Φ 在给定的温度梯度下 , 随着生长速度的增大 , 定向凝固组织均为胞状晶 , 胞晶间距 久 的分布存在一个较宽范围 , 其最大、 最小及平均间距随生长速度 ” 变化的实验规律可表示为 Φ 入6 ΕΓ Η ∀� # ·ΙϑΚ 一9 ‘∀ % , , 入6 Β。 Η % % 一% 。一 9 , 9 ‘: , 叉Η � ! & � 。一 9 · : 9 � ∀ Λ 1 + 理论模型较好地预言了近快速定向凝固条件下胞晶平均间距选择的实验规律 & 台阶变速实验表明 , 胞晶平均间距的选择具有显著的历史相关性 & 关键词 ) 卜; < 合金 , 近快速定向凝固, 胞晶间距 , 历史相关性 中图法分类号 + 1 ϑϑ ϑ , + 1 � % & ! ∗ − . . / . ) 0 3Μ) ∗ 2∋ 1 3 − .− ∗ + 2Ν ∋ Ν Ο ) 2一 9 & : � ; < ) . . Ν Π / ∋ 4 − 0 ∋ − ) 0 一 0 ) Μ 24 4 20 − ∗ + 2Ν ∋ ) . 3 Ν . 24 2Ο 2∗ ) + 2Ν ∋ ∗ Ν ∋ 4 2+ 2Ν ∋ 尸石万1 五 Ε < , Θ 刀) ∋ 1 Ρ 5记。叮, .2∋ 爪< , .ϑ +Ε ( , Σ /− Τ’ΥΕ < Δ , 么万口 / ΠΕ ( Τ53ς Ες 5 Λ叮 . Ε 7 ( 8 Ε ς( 8Ω ( Υ 3( ϑΒΧ ΒΥΒ 5 Ε ςΒ( < Μ 8 ( Ξ 5 Ι ΙΒ< Δ , ∋ ( 8ς ΤΨ5Ι ς 5 8 < Μ( ϑΩς 5Ξ Τ< Β5 Ε ϑ / < ΒΚ5 8Ι Βς叭 ΣΒ , Ε< ? 9 9 ? !∗( 俄ΙΜ ( < Χ 5 < ςΦ 尸男万1 ΖΒ Ε < , +5 ϑΦ >Ν 忍∀≅ 一剐夕不9 9 丈, 卢7 ￡ Φ >(忍∀≅ 一Ι不夕宝:不不,− 一 6 Ε 坛ϑΦ 月/ Ε < Δ 口< 钊,Μ二 5 Χ [ & 5几 , Ε < [ Ι5 8 ΒΜς 8 5Ξ 5 ΒΚ 5 Χ ∀ ∀冬9孚 9 , Β< 8 5 Κ ΒΙ5Χ Υ( 86 ∀ ∀ 冬9序9 ) Α 3 + 0 ) ∗ + 2< ( 8 Χ 5 8 ς ( Β<Κ 5 Ι ςΒΔ Ε ς5 ςΤ 5 8 5 Ι ∴ ( < Ι 5 ( Υ ∴ 8Β6 Ε8 Ω 5 5 ϑϑ[ϑ Ε 8 ] Χ 5 < Χ8 ΒςΒ5 Ι∴ Ε 5Β< Δ Ι 5ϑ5 5 ⊥ ςΒ( < ς ( ςΤ 5 ΚΕ8 ΒΕ ςΒ( < ( Υ Δ8 ( Ψ ςΤ Κ5 ϑ( Ξ ΒςΩ [ < Χ 5 8 < 5 Ε8 一8 Ε ΜΒΧ Χ Β85 5 ςΒ( < Ε ϑ Ι ( ϑϑ Χ近5 Ες Β( < 5 ( < Χ ΒςΒ( < , Ε<) 2一 9 & : � ; < Εϑϑ (Ω : Χ Β8 5 5ς Β( < Ε ϑϑΩ Ι ( ϑΒΧ ΒΥΒ 5 Χ Ψ ΒςΤ Α 8 ΒΧ Δ 6 Ε < Ε ΜΜΕ 8 Ε ς[Ι & + Τ5 85 Ι[ϑ ςΙ ΙΤ(Ψ ςΤΕς Ε ςςΤ5 Δ ΒΚ5 < ς56 ∴ 5 8 Ε ς[ 8 5 Δ8 Ε Χ Β5<ς ςΤ5 6 Β5 8 ( Ι ς 8 [ 5 ς[8 5 Ι : 5 5ϑϑΙ Ε< Χ ςΤ 5 8 5 5劝 ΙςΙ Ε Ψ ΒΧ 5 Χ ΒΙ ς 8 Β7 [ ςΒ( < 些< Δ 5 ( Υ Ξ 5 ϑϑ[ϑ Ε8 Ι ∴ Ε 5 Β< Δ · + Τ5 6 耐6 [ 6 , 入6 Ε Γ , 6 Β< Β6[ 6 , 入6 Β< , Ε< Χ ΕΚ5 8 Ε Δ 5 5 5ϑϑ[ ϑΕ8 Ι ∴ Ε 5 Β< Δ ,入, ΕΙ Υ[< Ξ ςΒ( < Ι ( Υ 盯(Ψ ςΤ 8 Ε ς5 , 。 , 5Ε< 7 5 Δ ΒΚ5 < 7Ω 入6 Ε Γ Η ∀ � # & : Κ 一 ( · � ∀ % ‘ , 人6 Β< Η % %一 % 。 一 ( , ( ‘: ,叉Η � Β ! & � Κ 一 9 , 9 � ∀ , 8 5 Ι ∴ 5 5 ςΒΚ5 ϑΩ & + Τ5 5 Γ ∴ 5 8 Β6 5 <ς Εϑ 85 Ι[ϑ ςΙ Ε8 5 5 ( 6 ∴Ε8 5 Χ Ψ ΒςΤ ςΤ Ε ς ∴ 8 5 Χ Β5 ς5 Χ 7Ω ςΤ 5 5[88 5<ς Λ 1 + 6 ( Χ 5ϑ, Ε< Χ Ε Δ ( ( Χ Ε Δ8 55 6 5 < ς : Υ( [ < Χ & , ( 85(Κ5 8 , Βς : Υ( [ < Χ ςΤΕ ς ςΤ 5 ΕΚ5 8 Ε Δ 55 5ϑϑ [ϑ Ε8 Ι ∴ΕΞ Β< Δ : Ε ϑΙ ( 8 5 6 Ε8 _Ε 7ϑΩ ΤΒΙ ς ( 8 Ω一Χ 5 ∴ 5 < Χ 5<ς & Λ − Π Ρ Ν 0 4 3 ) 2一; < Ε ϑϑ(Ω, < 5Ε8 一 8Ε∴ ΒΧ Χ Β8 5 5 ςΒ( < Ε ϑ Ι ( ϑΒ Χ访5 Ες Β( < , 5 5 ϑϑ [ ϑΕ8 ΙΜ Ε 5 Β< Δ Ι 5ϑ5 5 ςΒ( < ,Τ ΒΙ ς ( 8 Ω一Χ 5Μ 5 < Χ 5 < 5 5 = 国家自然科学基金重点资助项目 : ∀ � � 9 ! 收到初稿日期 Φ ∀ ∀吕9 各 9 , 收到修改稿日期 Φ ∀ ∀ #⊥ 9 %⊥ 9 ! % # 金 属 学 报 � �卷 胞 ] 枝晶的一次间距是凝固组织最重要的特征尺度之一 , 在凝固理论研究和凝固组织控制 两方面均具有重要意义 & 目前 , 人们对于近平衡低速凝固范围内的低速平界面生长 、 胞 枝晶组 织形态及一次间距选择机理研究 ϑ‘一 �⎯取得了一些重要进展 , 同时实验研究 【”一 9α 也发现 , 对于 确定的凝固参数 , 枝晶一次间距存在一个较宽的容许范围, 而平均一次间距具有明显的历史相 关性 , 近年来 , 随着激光和 电子束表面快凝技术在快速凝固理论研究中的应用 , 对于快速凝固 过程中的高速超细胞晶 、 带状结构以及高速绝对稳定平界面的研究也取得了一定进展 ‘一 % & 相对而言 , 从枝 一 胞转变至高速超细胞晶之间的近快速凝固范围 , 胞 ] 枝晶一次间距随生长 速度变化的选择规律研究仍不够深入 & 另外 , 通过对 Λ [8 β 和 ΟΒ ΙΤ 58 ϑϑΙ ⎯提出的胞 一 枝转变判 据以及 肠ΒΚ5 ΧΒ 等人 ? α 提出的枝一 胞转变判据进行分析 , 发现在近快速凝固范围, 当合金的 平衡结晶温度间隔足够小 , 温度梯度足够高时 , 不出现枝晶生长 , 其微观组织呈现胞状晶 & 因 此 , 本文通过选用平衡结晶温度间隔较小的 )ϑ 一 9& : �; <>质量分数 , χ ≅单相合金 , 在给定的较 高温度梯度下 , 近快速定向凝固范围的微观组织均为胞状晶 , 从而考察胞晶间距随生长速度变 化的选择规律 & 实 验 方 法 实验采用的 )ϑ 一 ( & :� ; < 合金由纯度为 ∀∀ ∀ ∀∀ χ 以上的高纯铝和 ∀∀ & ∀∀ χ 的纯锌真空感应熔 炼并浇注在高纯石墨铸型中配制而成 , 然后将其加工成直径 : 6 6 , 长 ! 9 6 6 的试棒 & 在自 制的立式 Α 8Β Χ Δ 6 Ε< 定向凝固装置上进行实验 , 温度梯度恒定为 �: Λ ] Ξ 6 & 取横截面制备试样 后 , 采用 .5 Βς β .Ε7 (8 ΤΒ Γ ! ,− 3] 3 + 定量金相分析仪及附带的 δ[Ε <ς Β6 5ς :99 图像处理软件 测定胞晶间距 , 以获取胞晶间距较为详细的分布情况 & 采用与 Θ [ Ε< Δ 等人 ε”一 9α 相似的实验方 法分别考察恒速定向凝固及台阶变速生长过程中的胞晶间距选择规律 & ! 实验结果及讨论 ! & 恒速生长过程中的胞晶间距 在 �9 一 �9 99 拼6 ] Ι 的宽生长速度范围, 恒定的温度梯度 > �: Λ ] Ξ 6 ≅下 , 选取一系列不同 的生长速度进行恒速定向凝固实验 , 发现所得到凝固组织均为胞状晶 , 图 是不同生长速度下 的典型组织照片 & 从该图可以看出, 低速生长时 , 胞晶组织比较粗大 φ 高速生长时 , 胞晶组织 细小 , 分布比较均匀 & 由于选用的 )ϑ 一( & : � ;< 合金平衡结晶温度间隔较小 , 试样在凝固过程中 的温度梯度较高 , 因此 , 在整个生长速度范围 , 没有出现枝晶生长 , 形成的凝固组织为完全的 胞状晶 & 不同生长速度下胞晶间距的实验结果如图 ! 所示 , 其中 Κ 表示生长速度 , 入6 Ε Γ , 入6Β 。 及 久 分别为每个生长速度下最大 、 最小及平均胞晶间距 , 可以看出在整个生长速度范围内 , 胞晶间 距随着生长速度的增大而减小 & 同时发现 , 在给定的生长速度下 , 胞晶间距的分布存在一个较 宽范围, 其最大与最小间距的比值约为 ! & : , 而且该比值在本文选择的生长速度范围没有明显的 变化 & 通过回归分析得到胞晶间距与生长速度之间的关系 、‘,尹、,少 !了 ‘、、久6 Ε Γ Η ∀� : & : 一。 一 。滩 ∀ % 入6 Β。 Η % % & % Κ 一9 & : 9 : ! ? 9 金 属 学 报 � �卷 一次间距随生长速度变化的规律 >入二 Λ 1 一盖。 一轰, 其中, 久为胞 ] 枝晶一次间距 , Λ 为常数 , 1 为温度梯度 , 。 为生长速度≅差别较大 & 至今仍然没有一个分析模型能对从低速至快速凝固范围的胞 ] 枝晶一次间距的选择规律 进行定量描述 & Λ [8 β ϑϑ ϑα 等人采用 , Ι 稳定性分析方法 、 将 . 一 ,Λ 临界稳定性理论应用于 枝晶尖端稳态扩散场的 2Κ Ε < ςΙ(Κ 解 , 同时对溶质分配系数 _。 进行了非平衡效应修正 , 提出了 一个能描述从枝晶到高速绝对稳定平界面之间的界面形态演化规律的模型 >简称 Λ 1 + 模 型 ≅ ”; ) γ 勺 Α γ ∗ Η 9 式中 讥∗9 【ϑ 一 _>。≅ 若Ξ 4 . ηΒ 一 η 一 _>。≅ι2>∴ ≅⎯ Ξ Η 1 , 双尸≅ Η 尸5ΓΜ >尸≅− 2 >尸≅ 七Ξ 二 一 ;_>。≅ η γ >!二] ∴ ≅! ι ] ! 一 γ ;_ >Κ ≅ ,一.Μ一弘一衫一ϑ注 一!一一 _>Κ ≅ _。 γ >Ε ( 。] 4 . ≅Β γ >Ε 。。] 4 . ≅ ((999 2−二 − ϑ 是指数积分函数 , 将 )ϑ 一; < 合金的物性 参数 ε ∀ α>其中 , 1 Β7 7 Ι一+ Τ ( 6 Ι ( < 系数 8 为 Β & ! 9 Γ Β (一 : 5 6 ·Λ , 平衡溶质分配系数 _。为 ( ·� � , 液相溶质扩散系数 4 . 为 � & ?% Σ 9 一“Ξ 6 ; ] Ι , 液 相线斜率 饥 为 一 & :: Λ ] χ >质量分数≅, 原子间 尺度 Ε 。 取 : ϕ ≅ 代入 , 通过对 >: ≅ 式求数值解 , 可得到枝晶尖端半径 >川与生长速度 >的的 关系 , 为了将实验结果与 Λ 1 + 理论模型进行 对比 , 必须确定尖端半径与一次间距的关系 , . [ εβ9 】等人提出的 . [ 一Θ [ <ς 数值模型在预言 胞晶间距随凝固速度的变化规律与 Λ 1 + 模型 预言胞晶尖端半径随凝固速度的变化规律两者 在定性上基本一致 , 在定量上相差两倍 & 假定 此定量关系成立 , 其计算结果如图 � 所示 , 可 以看出 , 在近快速凝固范围 , Λ 1 + 理论模型 较好地预言了胞晶平均间距随生长速度变化的 实验规律 , 而在较低的生长速度下理论预测和 之些& & 9 9 9 9 9 9 9 99 9 丫 ∴ 6 ϑΙ 图 � Ο ΒΔ & � 胞晶平均间距实验结果与 Λ 1 + 理论预测 结果比较 ) 5 ( 6 ΜΕ8 ΒΙ ( < 7 5 ςΨ 55 < ςΤ 5 6 5 ΕΙ [ 85 Χ ΕΚ5 8 Ε Δ 5 5 5 ϑϑ[ ϑΕ 8 Ι ΜΕ 5 Β< Δ Ε < Χ ς Τ 5 8 5 Ε [ Βς Ι Μ8 5Χ Β5 ς5 Χ 饰 Λ 1 + 6( Χ5 ϑ 一 Λ 1 + , ( Χ 5 ϑ & − Γ Μ 58 Β6 5 < ς Ε ϑ 8 5 Ι [ Βς Ι 实验结果差别较大 , 其主要原因在于计算过程中引用的物性参数数据与实际情况可能有一定的 误差 & ! ?! 金 属 学 报 � �卷 参 考 文 献 2 Ρ 匕88 5 < Ζ ) , . Ε <罗8 Ζ : & Μ Τ尹 0 即 , ∀∀ 9 Φ ) � ! Φ � : # ! 认ϑΕ 8 8 5 < Ζ ) , . Ε < Δ 5 8 Ζ : & 尸九尹 0 5 叭 ∀ ∀ � Φ −� ? Φ ! ? 9 ! � . [ Ι Τ[ β [ , Θ [ <ς Ζ 4 & Ζ ∗叨。亡1 , 切ςΤ , ∀ ∀ ! Φ ! � Φ ? � Θ [ < ς Ζ 4 , . [ ΙΤ [ β [ & , 5 ςΕ ϑϑ , Ε 亡58 ;枯彻, ∀∀ % φ ) ! ? Φ % : Θ Ε < 3 Θ , 升ΒΚ5 Χ Β 0 & ) 5忿Ε , 5亡Ε ϑ君材口云5 杭 ∀ ∀ � φ � ! 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