论文部分内容阅读
枝晶是材料凝固过程中最常见的结晶形态,枝晶生长也一直是材料科学领域的重要研究课题。近年来,有关纯物质及二元合金中的枝晶生长机制已经有了深入而系统的研究。梯度磁场产生的洛伦兹力、磁化力等可以有效地控制熔体流动,在材料科学研究中也得到了应用。因此,有必要对不同梯度磁场下固溶体合金过冷熔体中枝晶生长速率的规律进行系统研究,并且采用理论模型进行验证。本文采用熔融玻璃净化的深过冷方法,实现了梯度磁场下Ni50Cu50和Ni9981熔体的深过冷实验。实验中,利用单色红外测温仪测量样品表面温度的变化,高速摄影机记录再辉过程,采用三维动画模拟软件重现熔体的再辉,最后通过计算得出过冷熔体中不同过冷度下的枝晶生长速率。并且对Ni50Cu50和Ni99B1熔体的冷却曲线进行了分析,采用Galenko修正后的LKT/BCT模型[11,58]对不同磁场下两种不同成分固溶体中的枝晶生长动力学进行了研究。获得以下主要结论：(1)无论施加磁场与否,随过冷度的增大,Ni50Cu50和Ni9B1中都发生了溶质截留现象。在溶质截留现象明显体现处枝晶生长速率增长变缓,枝晶生长方式中扩散控制起主导作用；Ni50Cu50和Ni99B1所获得的临界过冷度AT*分别为170K和200K,大于临界过冷度时,发生完全的溶质截留现象,枝晶生长速率呈线性增长,枝晶生长方式由扩散控制转变为热控制。梯度磁场对发生完全溶质截留的临界过冷度△T*值无明显影响。(2)梯度磁场对中低过冷度区域的枝晶生长速率具有明显的影响。随磁场强度增加,Ni50Cu50和Ni99B1枝晶生长速率逐渐减小。当中心磁场强度B=3T时,生长速率达到最小。当B>3T后,枝晶生长速率随磁场强度增加逐渐回升。在大过冷度区域,梯度磁场对枝晶生长速率没有明显影响。这一影响规律和梯度磁场对纯物质枝晶生长速率的影响规律非常相似。(3)分析认为,适当的梯度磁场可有效抑制Ni50Cu50和Ni99B1熔体中的对流,使枝晶生长速率降低。当中心磁场强度B>3T时,梯度磁场对对流的促进作用大于抑制,使Ni50Cu50和Ni99B1熔体的枝晶生长速率有所回升。利用LKT/BC模型[11,58]对实验数据的拟合分析表明,梯度磁场改变了枝晶生长前沿的溶质扩散系数DL和热扩散系数DT。随磁场强度增大,Ni50Cu50和Ni9981的DL和DT先减小后增大,中心磁场强度为3T时达到最小值。(4)对于两种溶质分配系数不同的固溶体,在梯度磁场的作用下,溶质分配系数较小的Ni9981的枝晶生长速率受影响较大。