定向凝固中的界面形態(tài)演化

1、- -定向凝固中的界面形態(tài)演化引言通常人們?cè)谘芯拷饘偌捌浜辖鸬哪虝r(shí)，由于金屬本身的不透明性，使得人們無(wú)法動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)觀察金屬內(nèi)部凝固過(guò)程中凝固組織的演化與選擇；而采用X射線透視或者原子力顯微鏡則代價(jià)較為高昂，也不可能獲得對(duì)組織演化細(xì)節(jié)的清楚認(rèn)識(shí)。由于熔體凝固時(shí)對(duì)流會(huì)造成材料組分上的變化，造成雜質(zhì)條紋等缺陷。要獲得高質(zhì)量的材料，就要對(duì)凝固過(guò)程的熔體流動(dòng)和其穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究。借助實(shí)時(shí)觀察方法對(duì)凝固過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)原位觀察，研究凝固過(guò)程中材料表面微觀形貌和整體形態(tài)的變化以及流體運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)過(guò)程的可視化監(jiān)測(cè)和測(cè)量，從中就可獲得有關(guān)凝固的信息。隨著對(duì)凝固理論與晶體生長(zhǎng)技術(shù)不斷深入的研究，發(fā)現(xiàn)凝固形態(tài)是由晶

2、體界面性質(zhì)和凝固驅(qū)動(dòng)力場(chǎng)的性質(zhì)所完全決定的。界面性質(zhì)決定了界面形態(tài)對(duì)驅(qū)動(dòng)力場(chǎng)的響應(yīng)性質(zhì)，因而相似的界面性質(zhì)在相似的驅(qū)動(dòng)力場(chǎng)作用下將產(chǎn)生相似的動(dòng)力學(xué)行為，從而導(dǎo)致相似的界面形態(tài)。固-液界面可以分為兩類1：規(guī)則界面和不規(guī)則界面。規(guī)則界面是指正常凝固條件下的平面、胞狀和枝晶界面2。理論分析表明，只有當(dāng)固-液界面能是各向異性時(shí)才能形成穩(wěn)定枝晶界面3，通常情況下大多數(shù)材料是以穩(wěn)定枝晶界面生長(zhǎng)。當(dāng)晶體沿著一定的晶向生長(zhǎng)時(shí)，如立方晶系的111晶向，固-液界面能接近于各向同性4，這時(shí)將會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則界面。在這樣的條件下，枝晶尖端常常隨機(jī)分枝，分枝與枝晶干不對(duì)稱，從而形成不規(guī)則界面。至今已經(jīng)觀察到幾種不規(guī)則界面，

3、如：傾斜枝晶界面、退化枝晶界面、海藻狀晶體界面。1實(shí)驗(yàn)方法晶體生長(zhǎng)室的最大平面放在x-y平面中，觀察二維晶體生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)采用了丁二腈-5at%水來(lái)作為模擬晶體，測(cè)試開(kāi)始前，試樣加熱至全部融化并靜止一段時(shí)間冷卻，使得試樣內(nèi)的熔質(zhì)均勻化。溫度通過(guò)采用SWP-T803數(shù)字控溫儀控溫，控溫精度0.1C，可在0C到200C范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。加熱至一定溫度且保持恒定，試樣內(nèi)形成一定的溫度梯度，試樣放在溫度梯度場(chǎng)中。晶體中溫度的測(cè)量利用熱電偶，晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，根據(jù)晶體界面的位置移動(dòng)熱電偶的位置，記錄溫度值，即可獲得溫度梯度值。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖1，試樣放入定向固系統(tǒng)中，使用CKX41型浮雕相襯顯微鏡可以直接實(shí)時(shí)觀察固

4、-液界面結(jié)構(gòu)，用CCD相機(jī)跟蹤拍攝界面生長(zhǎng)過(guò)程并記錄下來(lái)。2當(dāng)合金以在較低速率凝固時(shí)，在固液界面上的溶質(zhì)再分配達(dá)到局部平衡，其固液界面以平面向前推進(jìn)。在描述平面向胞狀轉(zhuǎn)變時(shí)，Chalmers的成分過(guò)冷理論和Mullins的界面穩(wěn)定性的動(dòng)力學(xué)理論已被人被所廣泛接受。當(dāng)“組分過(guò)冷”開(kāi)始出現(xiàn)時(shí)，平界面失穩(wěn)，初始擾動(dòng)并不是在整個(gè)界面上同時(shí)均勻地產(chǎn)生，而是在隨機(jī)的位置上出現(xiàn)溶質(zhì)富集的凹陷，這時(shí)即為平界面遭到破壞時(shí)的臨界狀態(tài)。隨著“組分過(guò)冷”的增加，擾動(dòng)向兩側(cè)發(fā)展。由于相鄰擾動(dòng)源間距不一定是波長(zhǎng)的整數(shù)倍，在兩波相匯處的波長(zhǎng)不等于初始擾動(dòng)的平均波長(zhǎng)。擾動(dòng)源處振幅發(fā)展較快而兩波交會(huì)處，不管其波長(zhǎng)大小都趨于被淘

5、汰。使得其相鄰胞有較大的空間橫向發(fā)展，從而長(zhǎng)得很寬；寬度超過(guò)一定限度時(shí)，端部展平然后凹陷、分叉，使胞間距又減小。分叉長(zhǎng)出的胞之間又相互競(jìng)爭(zhēng)、淘汰，如此交替反復(fù)地演變。最后形成既不再分叉也不再淘汰的穩(wěn)定胞晶列。如圖2所示：(d)(e)(f)圖|Lim/s胞晶演變過(guò)程隨著凝固速率的增大，當(dāng)生長(zhǎng)速率V接近于某一值時(shí)，凝固前沿將變得不穩(wěn)定，即Mullins-Sekerka性失穩(wěn)5，將導(dǎo)致胞狀晶與枝狀晶之間復(fù)雜的變換。胞晶前端的開(kāi)叉獎(jiǎng)隨著生長(zhǎng)速率得增大，這是競(jìng)爭(zhēng)和淘汰發(fā)展很快，將不斷的胞狀界面將向樹(shù)枝狀界面轉(zhuǎn)變。如圖3所示：(C)胞枝界面(d)樹(shù)枝狀界面圖3V=5.16卩m/s時(shí)的胞枝轉(zhuǎn)變過(guò)程的實(shí)時(shí)觀察

6、當(dāng)生長(zhǎng)速率增加時(shí)，枝晶間距也增加，一些枝晶被淘汰，經(jīng)過(guò)一段競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)，生長(zhǎng)優(yōu)先的枝繼續(xù)分裂，而落后的枝將由于周圍枝的相互作用而被抑制。當(dāng)凝固的方向接近于某一具有較小的界面張力各向異性方向時(shí)，很可能會(huì)出現(xiàn)“海藻”結(jié)構(gòu)。比如，當(dāng)具有立方結(jié)構(gòu)的晶粒以接近于111晶面的方向生長(zhǎng)時(shí)，因?yàn)楦叩膶?duì)稱性，界面張力接近于各向同性，其凝固界面前沿頂端將出現(xiàn)連續(xù)的不規(guī)則分裂6，當(dāng)溫度降低到一定的程度時(shí)，將發(fā)生“海藻”結(jié)構(gòu)向枝晶結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。退化枝晶界面的生長(zhǎng)條件是，晶體的兩個(gè)100晶軸與溫度梯度方向成450角，如圖4所示：圖4-海1藻晶形態(tài)圖4-退2化枝晶形態(tài)退化枝晶界面處于動(dòng)態(tài)變化之中，二次枝晶臂不斷改變著生長(zhǎng)方向。

7、從一次枝晶的后部向前二次臂的方向逐漸趨向于界面生長(zhǎng)方向，生長(zhǎng)一段時(shí)間后，界面上的一次被鄰近的二次臂取代。圖5顯示了二次臂的方向逐漸變化和最后趨于界面生長(zhǎng)方向的過(guò)程。圖5退化枝晶二次臂的變化3結(jié)論晶體以較低的速率生長(zhǎng)時(shí)，其固-液界面以平面或胞狀向前推進(jìn)。晶體界面形態(tài)的演化起源于平界面受到一定的初始擾動(dòng)，導(dǎo)致平界面失穩(wěn)，隨著擾動(dòng)的增加在界面上產(chǎn)生胞晶，經(jīng)過(guò)尖端分叉，競(jìng)爭(zhēng)，淘汰，從而在界面上形成穩(wěn)定胞晶列擾動(dòng)振幅發(fā)展很快的條件下，沒(méi)有尖端分叉過(guò)程，競(jìng)爭(zhēng)，淘汰發(fā)展很快，最終在界面上形成了穩(wěn)定枝晶列。只要界面上有胞-枝共存，界面就是不穩(wěn)定的，隨著凝固速率的增大，胞晶將向枝晶轉(zhuǎn)變。當(dāng)晶體沿一定的晶向生長(zhǎng)時(shí)，固-液界面能近似各向同性，枝晶尖端隨機(jī)