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液相对流对定向凝固胞/枝晶间距的影响* 王贤斌林鑫十王理林宇红雷王猛黄卫东 (西北工业大学凝固技术国家重点实验室，西安m oo}a }aoia年9月as日收到;aoia年11月m日收到修改稿) 采用类金属透明模型合金J一二睛-1.8 wt%丙酮(SCN-1.8 wt%Ace)合金，研究了平行于生长界面前沿的液相对 流对定向凝固胞/枝晶生长行为及胞/枝晶问距的影响.对于胞晶生长，在液相对流作用卜，其尖端将会出现分岔，使 得胞晶问距减小，并且液相对流流速越大，胞晶尖端分岔越明显，胞晶组织越细小，胞晶问距越小.至于枝晶生长，其 生长行为与胞晶小同.当抽拉速度较小时，液相对流作用卜枝晶两侧三次臂的生长速度将会超过枝晶尖端生长速度， 形成新的枝晶列，使得枝晶一次问距减小，并且液相对流流速越大枝晶一次问距越小;当抽拉速度较大时，液相对流 作用卜迎流侧二次臂生长发达，且会抑制上游枝晶生长，使得枝晶一次问距增大，并且液相对流越强枝晶一次问距 越大. 关键词:定向凝固，胞晶间距，枝晶间距，液相对流1引言 胞晶和枝晶是定向凝固过程中普遍存在的两 种典型的单相合金生长形态[f1,21，其形态和特征 尺度，如一次间距，二次间距和尖端半径等，对材 料的力学性能具有重要的影响.至今，已经有很多 研究者对定向凝固胞/枝晶一次间距进行了研究， 并提出相应的模型}3-ls]，如Hunt模型[[11], KF模 型[12} , Trivedi模型[13]、 Hunt-Lu数值模型[14]以 及Lin-Huang数值模型[}ls}.但是这些研究大多是基 于纯扩散条件进行分析，而在实际凝固过程中，液 相对流一般是不可避免的，并且液相对流还会影响 固液界面前沿的温度场和溶质场，进而影响胞晶和 枝晶的生长形态.近年来，对流对凝固过程的影响 已经引起很多研究者们的关注.刘山等[[16{考察了 对流对胞晶和枝晶生长影响，发现流动使得胞晶间 距减小，但是却使得枝晶一次间距增大.Trivedi等 [17{却发现对流使得枝晶一次间距减小，并提高了 胞枝转变临界速度.Spinelli等[[1s]随后的研究中也 发现枝晶间对流会使得枝晶一次间距减小.最近，孙东科[}m{等通过数值模拟方法研究对流对枝晶生 长的影响，发现对流使热量和溶质从上游传输到下 游，从而加速上游枝晶的生长.石玉峰[[zo]等通过数 值模拟方法研究对流对枝晶尖端生长速度的影响， 发现对流使得枝晶迎流侧生长加速，且对流使枝晶 间溶质富集减少，出现枝晶一次臂湮没和分枝的现 象.王建元等[[zi,zz{考察了对流对胞晶和枝晶生长 影响，发现胞晶间距随流速的增大而减小，且对流 作用下胞晶尖端易出现分岔，同时，对流使得枝晶 间距增大.可以看到，虽然目前对流对胞晶和枝晶 生长影响的相关研究已经取得了初步的进展，但是 目前的研究结果还存在一定分歧，并且大部分研究 者的重点集中在对比流动条件下和纯扩散条件下 的胞/枝晶生长行为，而在对流强度对凝固组织形态 影响方面的研究较为缺乏.基于此，本文采用类金 属透明模型合金一一SCN-1.8wt%Ace合金，考察了 固液界面前沿液相对流的流速对胞晶和枝晶生长 行为的影响，并探讨了液相对流对胞晶间距和枝晶 一次间距影响的本质原因，以期完善流动条件下的 胞/枝晶生长理论，进而为指导生产实践奠定基础. 2实验方法 实验采用的SCN-1.8wt%Ace合金是由纯度大 于99.99%的丁二睛和纯度大于99.5%的丙酮在氢 气气氛的手套箱中配制而成.实验在自制的Bridg- man水平定向凝固系统中进行如图1所示.该系 统主要由Jackson-Hunt温度梯度平台、流动驱动 系统、显微观察图像采集系统组成.试样盒厚度 为0.15 mm.采用精度优于0.1 K的恒温水浴来控 制控制热端和冷端温度.界面前沿的对流由放置于 试样盒中的磁力驱动叶片产生，进而在固液界面前 沿形成垂直于生长方向且流速可调的流动，并采用失踪粒子测定界面前沿的流动流速.组织形态采用 Nikon AZ100显微镜进行实时观察，通过CoolSnap 高分辨率CCD实时拍摄.实验开始前，通过选晶在 试样盒中形成一个(100晶向平行于温度梯度方向 的单晶，每次实验开始时都从此试样盒的同一个起 点出发来保证实验初始条件的一致性.在考察对流 流速对胞枝晶生长的实验时，在启动抽拉系统启动 的同时同步施加对流，并作为计时零点记作t=Os. 每次实验结束后都保证将试样盒退回到同一起点 处，并将试样盒放置于Jackson-Hunt温度梯度平台 保温4h进行合金均匀化，之后再进行下一组实验. 叶片 显微镜 计算机 热端铜台上 冷端铜台上 /抽拉系统 试样盒 兀 热端铜台下 、\妞岌~光源 冷端铜台下 图i带切向流