液相對(duì)流對(duì)定向凝固胞.docx

液相對(duì)流對(duì)定向凝固胞/枝晶間距的影響*王賢斌林鑫十王理林宇紅雷王猛黃衛(wèi)東 (西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安m ooaaoia年9月as日收到;aoia年11月m日收到修改稿) 采用類金屬透明模型合金J一二睛-1.8 wt%丙酮(SCN-1.8 wt%Ace)合金，研究了平行于生長界面前沿的液相對(duì)流對(duì)定向凝固胞/枝晶生長行為及胞/枝晶問距的影響.對(duì)于胞晶生長，在液相對(duì)流作用卜，其尖端將會(huì)出現(xiàn)分岔，使得胞晶問距減小，并且液相對(duì)流流速越大，胞晶尖端分岔越明顯，胞晶組織越細(xì)小，胞晶問距越小.至于枝晶生長，其生長行為與胞晶小同.當(dāng)抽拉速度較小時(shí)，液相對(duì)流作用卜枝晶兩側(cè)三次臂的生長速度將會(huì)超過枝晶尖端生長速度，形成新的枝晶列，使得枝晶一次問距減小，并且液相對(duì)流流速越大枝晶一次問距越小;當(dāng)抽拉速度較大時(shí)，液相對(duì)流作用卜迎流側(cè)二次臂生長發(fā)達(dá)，且會(huì)抑制上游枝晶生長，使得枝晶一次問距增大，并且液相對(duì)流越強(qiáng)枝晶一次問距越大.關(guān)鍵詞:定向凝固，胞晶間距，枝晶間距，液相對(duì)流1引言 胞晶和枝晶是定向凝固過程中普遍存在的兩種典型的單相合金生長形態(tài)f1,21，其形態(tài)和特征尺度，如一次間距，二次間距和尖端半徑等，對(duì)材料的力學(xué)性能具有重要的影響.至今，已經(jīng)有很多研究者對(duì)定向凝固胞/枝晶一次間距進(jìn)行了研究，并提出相應(yīng)的模型3-ls，如Hunt模型11, KF模型12 , Trivedi模型13、 Hunt-Lu數(shù)值模型14以及Lin-Huang數(shù)值模型ls.但是這些研究大多是基于純擴(kuò)散條件進(jìn)行分析，而在實(shí)際凝固過程中，液相對(duì)流一般是不可避免的，并且液相對(duì)流還會(huì)影響固液界面前沿的溫度場和溶質(zhì)場，進(jìn)而影響胞晶和枝晶的生長形態(tài).近年來，對(duì)流對(duì)凝固過程的影響已經(jīng)引起很多研究者們的關(guān)注.劉山等16考察了對(duì)流對(duì)胞晶和枝晶生長影響，發(fā)現(xiàn)流動(dòng)使得胞晶間距減小，但是卻使得枝晶一次間距增大.Trivedi等17卻發(fā)現(xiàn)對(duì)流使得枝晶一次間距減小，并提高了胞枝轉(zhuǎn)變臨界速度.Spinelli等1s隨后的研究中也發(fā)現(xiàn)枝晶間對(duì)流會(huì)使得枝晶一次間距減小.最近，孫東科m等通過數(shù)值模擬方法研究對(duì)流對(duì)枝晶生長的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)流使熱量和溶質(zhì)從上游傳輸?shù)较掠?，從而加速上游枝晶的生長.石玉峰zo等通過數(shù)值模擬方法研究對(duì)流對(duì)枝晶尖端生長速度的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)流使得枝晶迎流側(cè)生長加速，且對(duì)流使枝晶間溶質(zhì)富集減少，出現(xiàn)枝晶一次臂湮沒和分枝的現(xiàn)象.王建元等zi,zz考察了對(duì)流對(duì)胞晶和枝晶生長影響，發(fā)現(xiàn)胞晶間距隨流速的增大而減小，且對(duì)流作用下胞晶尖端易出現(xiàn)分岔，同時(shí)，對(duì)流使得枝晶間距增大.可以看到，雖然目前對(duì)流對(duì)胞晶和枝晶生長影響的相關(guān)研究已經(jīng)取得了初步的進(jìn)展，但是目前的研究結(jié)果還存在一定分歧，并且大部分研究者的重點(diǎn)集中在對(duì)比流動(dòng)條件下和純擴(kuò)散條件下的胞/枝晶生長行為，而在對(duì)流強(qiáng)度對(duì)凝固組織形態(tài)影響方面的研究較為缺乏.基于此，本文采用類金屬透明模型合金一一SCN-1.8wt%Ace合金，考察了固液界面前沿液相對(duì)流的流速對(duì)胞晶和枝晶生長行為的影響，并探討了液相對(duì)流對(duì)胞晶間距和枝晶一次間距影響的本質(zhì)原因，以期完善流動(dòng)條件下的胞/枝晶生長理論，進(jìn)而為指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐奠定基礎(chǔ). 2實(shí)驗(yàn)方法 實(shí)驗(yàn)采用的SCN-1.8wt%Ace合金是由純度大于99.99%的丁二睛和純度大于99.5%的丙酮在氫氣氣氛的手套箱中配制而成.實(shí)驗(yàn)在自制的Bridg-man水平定向凝固系統(tǒng)中進(jìn)行如圖1所示.該系統(tǒng)主要由Jackson-Hunt溫度梯度平臺(tái)、流動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、顯微觀察圖像采集系統(tǒng)組成.試樣盒厚度為0.15 mm.采用精度優(yōu)于0.1 K的恒溫水浴來控制控制熱端和冷端溫度.界面前沿的對(duì)流由放置于試樣盒中的磁力驅(qū)動(dòng)葉片產(chǎn)生，進(jìn)而在固液界面前沿形成垂直于生長方向且流速可調(diào)的流動(dòng)，并采用失蹤粒子測定界面前沿的流動(dòng)流速.組織形態(tài)采用Nikon AZ100顯微鏡進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，通過CoolSnap高分辨率CCD實(shí)時(shí)拍攝.實(shí)驗(yàn)開始前，通過選晶在試樣盒中形成一個(gè)(100晶向平行于溫度梯度方向的單晶，每次實(shí)驗(yàn)開始時(shí)都從此試樣盒的同一個(gè)起點(diǎn)出發(fā)來保證實(shí)驗(yàn)初始條件的一致性.在考察對(duì)流流速對(duì)胞枝晶生長的實(shí)驗(yàn)時(shí)，在啟動(dòng)抽拉系統(tǒng)啟動(dòng)的同時(shí)同步施加對(duì)流，并作為計(jì)時(shí)零點(diǎn)記作t=Os.每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后都保證將試樣盒退回到同一起點(diǎn)處，并將試樣盒放置于Jackson-Hunt溫度梯度平臺(tái)保溫4h進(jìn)行合金均勻化，之后再進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn). 葉片顯微鏡計(jì)算機(jī)熱端銅臺(tái)上冷端銅臺(tái)上 /抽拉系統(tǒng)試樣盒兀熱端銅臺(tái)下、妞岌光源冷端銅臺(tái)下圖i帶切向流動(dòng)系統(tǒng)的定向凝固系統(tǒng)示意圖3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論3.1流動(dòng)對(duì)胞晶生長的影響 由于透明合金SCN-1.8wt%Ace在溫度梯度GT = 6 K/mm條件下形成胞晶的抽拉速度范圍比較狹窄，作者在前期的考察中，發(fā)現(xiàn)該溫度梯度下，實(shí)際的胞晶抽拉速度范圍大約為0.34-1.08 m/s.因此在研究中選取靠近抽拉速度下限(v = 0.43 m/s)和抽拉速度上限(v = 0.92 m/s)兩個(gè)典型速度.圖2對(duì)比了抽拉速度、= 0.43 m/s下，對(duì)流對(duì)平界面失穩(wěn)后的淺胞形貌的影響.其中，圖2a無強(qiáng)制液相對(duì)流作用，圖2b存在液相對(duì)流，液相平均流速u1=14.3m/s.由圖2可見，與無強(qiáng)制液相對(duì)流相比較，液相對(duì)流作用下部分大間距胞晶尖端出現(xiàn)了分岔，胞晶間距明顯細(xì)化 隨著抽拉的繼續(xù)進(jìn)行，淺胞組織逐漸演化為深胞組織.圖3顯示了抽拉速度、= 0.43 m/s下對(duì)流對(duì)深胞晶生長形貌的影響.其中圖3(a)為無強(qiáng)制液相對(duì)流作用，圖3(b), (c), (d)的液相平均流速分別為u1 = 14.3 m/s, u2 = 28.9 m/s, u3 = 69.7 m/s.可以發(fā)現(xiàn)，在液相對(duì)流作用下，胞晶尖端同樣會(huì)出現(xiàn)尖端分岔，以致胞晶明顯細(xì)化流速較低時(shí)，尖端分岔的頻次較高，胞晶尖端幾乎始終處于周期性分岔狀態(tài)，隨著對(duì)流流速增大，尖端分岔的頻次明顯降低.圖4顯示了抽拉速度、= 0.92 m/s下對(duì)流對(duì)胞晶生長形貌的影響.其中，圖4(a)為無強(qiáng)制液相對(duì)流作用，圖4(b), (c), (d)的液相平均流速分別為u1 = 14.3 m/s, u2 = 28.9 m/s, u3 = 69.7 m/s.可以看到，與圖3的規(guī)律基本相同.總體上看，胞晶間距隨著對(duì)流流速的增大逐漸減小. Hunt和Lu14通過采用數(shù)值自洽模型，分析胞晶之間溶質(zhì)擴(kuò)散場的相互作用，給出了胞晶間距分布范圍下限的數(shù)值擬合結(jié)果 。二二/ro.4i Do.sil = 4.Oyk-._._.,!】!一!，(1) mCo (k一1)/v/其中，凡是胞晶間距，k是溶質(zhì)分配系數(shù)，T是GibbsThomson系數(shù)，m是液相線斜率，Co是合金成分，D是溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，v是抽拉速度. 圖5顯示的是純擴(kuò)散和強(qiáng)制液相對(duì)流情況下抽拉速度與胞晶間距關(guān)系.從圖中可以看出，在純擴(kuò)散條件下，胞晶間距隨著抽拉速度的增大而減小，并且與Hunt-Lu模型趨勢相同.由于Hunt-Lu數(shù)值模型給出的是胞晶間距下限，因此實(shí)驗(yàn)所得胞晶間距要比理論胞晶間距偏大.然而，在強(qiáng)制對(duì)流作用下胞晶間距要比純擴(kuò)散條件下的胞晶間距要小，且明顯低于Hunt-Lu理論模型的值. 強(qiáng)制對(duì)流 ui=14.3ms- u2=28.9 ms- u3 = 69.7 m s-二HUNT一LU0.5 0.7 0.9廠一一曰匕召0 0 0000一esO一es 日二嘆二/ms-圖5強(qiáng)制液相對(duì)流對(duì)胞晶hl距的影響0 n 0 n On0 5 0 5 053 22es 1.1 已二尺0 20 40 u/m s-100 80圖G不同抽拉速度下液相流速對(duì)胞晶hl距的影響 圖6顯示的是不同抽拉速度下流速與胞晶間距的關(guān)系.從圖中可以看出，強(qiáng)制液相對(duì)流流速越大胞晶間距越小.更值得注意的是，在強(qiáng)制液相對(duì)流作用下，由抽拉速度導(dǎo)致的胞晶間距差異會(huì)減小，即當(dāng)流速達(dá)到一定時(shí)，胞晶間距逐漸趨于一個(gè)定值. 固液界面前沿在液相對(duì)流的作用下，界面前沿會(huì)形成溶質(zhì)和溫度邊界層，使得界面前沿的溫度梯度和濃度梯度增大，但是熱擴(kuò)散系數(shù)比溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)一般高三個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，對(duì)流對(duì)濃度梯度的影響更為顯著，導(dǎo)致胞晶尖端隨著濃度梯度的增大，穩(wěn)定性有所減弱;同時(shí)，對(duì)流的作用也增強(qiáng)了界面 圖5顯示的是純擴(kuò)散和強(qiáng)制液相對(duì)流情況下抽拉速度與胞晶間距關(guān)系.從圖中可以看出，在純擴(kuò)散條件下，胞晶間距隨著抽拉速度的增大而減小，并且與Hunt-Lu模型趨勢相同.由于Hunt-Lu數(shù)值模型給出的是胞晶間距下限，因此實(shí)驗(yàn)所得胞晶間距要比理論胞晶間距偏大.然而，在強(qiáng)制對(duì)流作用下胞晶間距要比純擴(kuò)散條件下的胞晶間距要小，且明顯低于Hunt-Lu理論模型的值. 強(qiáng)制對(duì)流 ui=14.3ms- u2=28.9 ms- u3 = 69.7 m s-二HUNT一LU0.5 0.7 0.9廠一一曰匕召0 0 0000一esO一es 日二嘆二/ms-圖5強(qiáng)制液相對(duì)流對(duì)胞晶hl距的影響0 n 0 n On0 5 0 5 053 22es 1.1 已二尺0 20 40 u/m s-100 80圖G不同抽拉速度下液相流速對(duì)胞晶hl距的影響 圖6顯示的是不同抽拉速度下流速與胞晶間距的關(guān)系.從圖中可以看出，強(qiáng)制液相對(duì)流流速越大胞晶間距越小.更值得注意的是，在強(qiáng)制液相對(duì)流作用下，由抽拉速度導(dǎo)致的胞晶間距差異會(huì)減小，即當(dāng)流速達(dá)到一定時(shí)，胞晶間距逐漸趨于一個(gè)定值. 固液界面前沿在液相對(duì)流的作用下，界面前沿會(huì)形成溶質(zhì)和溫度邊界層，使得界面前沿的溫度梯度和濃度梯度增大，但是熱擴(kuò)散系數(shù)比溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)一般高三個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，對(duì)流對(duì)濃度梯度的影響更為顯著，導(dǎo)致胞晶尖端隨著濃度梯度的增大，穩(wěn)定性有所減弱;同時(shí)，對(duì)流的作用也增強(qiáng)了界面前沿的擾動(dòng).由于胞晶尖端總體曲率較小，因此，界面能對(duì)胞晶尖端的穩(wěn)定性本身就較弱.這樣，對(duì)于平界面和粗胞晶，一方面，對(duì)流使?jié)舛忍荻仍龃笠约敖缑鏀_動(dòng)增強(qiáng)，另一方面，界面演化的空間尺度較大，且界面的曲率較小，界面能的穩(wěn)定性作用較弱，有利于平界面擾動(dòng)的發(fā)展和胞晶尖端的分岔，使得淺胞晶和粗胞晶快速細(xì)化特別是溫度梯度增大，胞晶間距也會(huì)減小.同時(shí)，因?yàn)榱魉佥^低時(shí)，對(duì)流本身的波動(dòng)頻率較低，容易與胞晶尖端界面失穩(wěn)擾動(dòng)波長出現(xiàn)藕合，因而使得胞晶尖端出現(xiàn)周期性分岔.隨著對(duì)流流速的增大，溫度梯度/濃度梯度增大同時(shí)擾動(dòng)也在進(jìn)一步增強(qiáng)，因此，胞晶間距逐漸減小.另外，當(dāng)對(duì)流流速繼續(xù)增大時(shí)，溫度梯度的穩(wěn)定化作用逐漸提高，同時(shí)胞晶間距的減小，也使得胞晶尖端曲率逐漸增大，尖端的界面能穩(wěn)定作用增強(qiáng)，分岔逐漸困難，導(dǎo)致胞晶尖端經(jīng)過初始分岔后，J決速地趨于穩(wěn)定.同時(shí)，分岔后胞晶尖端界面穩(wěn)定性的增強(qiáng)，也使得進(jìn)一步提高對(duì)流流速后，對(duì)流對(duì)胞晶間距的影響逐漸減弱，胞晶間距趨于穩(wěn)定.另外，從圖3(b)可以看到，當(dāng)流速較低時(shí)，胞晶尖端分岔通?？傆幸粋€(gè)分支的生長會(huì)被抑制而使另一分支優(yōu)先生長，并且從統(tǒng)計(jì)上看，迎流側(cè)分支被抑制的概率略大，相信這與迎流側(cè)容易造成溶質(zhì)富集有關(guān).而隨著流速的增大，胞晶尖端分岔逐漸穩(wěn)定，分岔后的分支皆可得到充分生長，如圖3(c), (d)所示.這主要是由于當(dāng)流速較低時(shí)，胞晶間距減小較少，這樣，初始胞晶分岔后的生長空間不足以供兩個(gè)分支共同生長，進(jìn)而導(dǎo)致某一分支受外界影響略有領(lǐng)先時(shí)，其排出的溶質(zhì)將抑制另一分支的生長;同時(shí)，由于間距的橫向調(diào)整速度較慢，導(dǎo)致該分支充分生長后，間距還是過大，只能繼續(xù)在對(duì)流的作用下進(jìn)一步發(fā)生分支，進(jìn)而形成周期性分支行為;而當(dāng)流速較大時(shí)，胞晶間距顯著減小，這使得初始胞晶分岔后，不同分支皆有充足的空間繼續(xù)生長.王建元等zi在考察流動(dòng)對(duì)胞晶生長影響時(shí)，觀察到流動(dòng)條件下胞晶尖端出現(xiàn)分岔胞晶間距減小，這與本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.3.2流動(dòng)對(duì)枝晶間距的影響 圖7顯示了在較低抽拉速度(v = 3.47 m/s)下強(qiáng)制液相對(duì)流流速對(duì)定向凝固枝晶形貌的影響.其中，圖7(a)是無強(qiáng)制對(duì)流條件下枝晶生長形貌，圖7(b), (c), (d)為不同液相對(duì)流流速作用下的枝晶生長形貌，液相平均流速分別為ui一14.3 m/s, u2一28.9 Lm/s, u3一69.7 m/s.從圖中可以看出，相對(duì)無強(qiáng)制液相對(duì)流，在強(qiáng)制液相對(duì)流作用下，枝晶尖端形貌發(fā)生了變化，枝晶一次間距有明顯的減小，并且隨著對(duì)流流速的增大，枝晶一次間距逐漸減小.圖8顯示的是較低抽拉速度(v = 4.43 m/s) 下強(qiáng)制液相對(duì)流對(duì)枝晶生長形貌的影響，圖8(a)是無強(qiáng)制對(duì)流條件下枝晶生長形貌，圖8 (b) () (d)為不同液相對(duì)流流速作用下的枝晶生長形貌，液相平均流速分別為ui一14.3 m/s, u2一28.9 m/s,u3 = 69.7 m/s.可以看出，與圖7的規(guī)律基本相同. 圖9顯示了在較高的抽拉速度(v = 13.3 m/s)下，強(qiáng)制液相對(duì)流對(duì)枝晶生長形貌的影響.其中，圖9 (a)為無強(qiáng)制液相對(duì)流條件下枝晶生長形貌，圖9(b)，(c)，(d)分別為不同液相對(duì)流流速作用下的枝晶生長形貌，液相平均流速分別為u1 = 14.3 m/s,u2一28.9 m/s, u3一69.7 m/s.從圖中可以看出，與較低抽拉速度相反，強(qiáng)制液相對(duì)流使得枝晶迎流側(cè)二次臂生長更為發(fā)達(dá)，枝晶一次間距相比無強(qiáng)制液相對(duì)流的情況有所增大，并且隨著強(qiáng)制液相對(duì)流流速的增大，枝晶一次間距呈增大趨勢.圖10顯示的是較高的抽拉速度(v = 26.61 m/s)下對(duì)流對(duì)枝晶生長形貌的影響，圖10(a)為無強(qiáng)制液相對(duì)流條件下枝晶生長形貌，圖10(b), (c), (d)分別為不同液相對(duì)流流速作用下的枝晶生長形貌，液相平均流速分別為u1 = 14.3 m/s, u2 -28.9 m/s, u3 -69.7 m/s.可以看出，與圖9的基本規(guī)律相似. 從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，在不同抽拉速度下，對(duì)流對(duì)枝晶一次間距的影響不同.在抽拉速度較小時(shí)，液相對(duì)流使得枝晶一次間距減小，且對(duì)流流速越大枝晶間距越小;而在抽拉速度較大時(shí)，液相對(duì)流使得枝晶一次間距增大，且對(duì)流流速越大枝晶間距越大. Hunt-Lu14根據(jù)數(shù)值自洽模型分析了枝晶之間溶質(zhì)擴(kuò)散場的相互作用，提出枝晶一次間距范圍下限的數(shù)值模型:0.07998IkV0-0.s) V一Gro.s Gr-o.ozs八T(2) 式中a一1.131一O.lssslog(G)一o.sg9 X lo-Zlog,o(G12,V一J竺kDTGIk八T2_，mCo(k一1)k一 k而凡是枝晶一次間距，T是Gibbs-Thomson系數(shù)，k是溶質(zhì)分配系數(shù)，G是溫度梯度，4T是過冷度，V是抽拉速度，D是溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，m是液相線斜率，Co是合金成分. 一一無強(qiáng)制對(duì)流0 0 0 0 n no0 0 0 0 006 5 4 32一es 日二嘆二/mS-1圖11對(duì)流作用下枝晶一次帥距與理論模型比較 圖11給出了不同流速下枝晶一次間距隨抽拉速度的變化關(guān)系并與純擴(kuò)散下的理論模型相比較.從圖中可以看到，在無強(qiáng)制液相對(duì)流時(shí)，實(shí)驗(yàn)所得枝晶間距與抽拉速度的關(guān)系趨勢與Hunt-Lu模型一致，都是隨著抽拉速度的增加枝晶一次間距逐漸減小.而當(dāng)存在強(qiáng)制液相對(duì)流時(shí)，枝晶一次間距隨著抽拉速度的增大，先達(dá)到一個(gè)極大值，隨后又逐漸減小，并且隨著強(qiáng)制液相對(duì)流的施加，枝晶一次間距隨抽拉速度的變化趨勢明顯變緩，這與純擴(kuò)散條件下實(shí)驗(yàn)值與理論模型中枝晶一次間距隨抽拉速度的趨勢有較大的差別.還可以看到，在抽拉速度較小時(shí)，施加強(qiáng)制對(duì)流使得枝晶一次間距明顯的減小，但是隨著流速或抽拉速度的增大，對(duì)流對(duì)枝晶一次間距的減小程度減弱，當(dāng)抽拉速度超過一定值時(shí)，對(duì)流使得枝晶一次間距增大.另外，強(qiáng)制對(duì)流作用下實(shí)驗(yàn)所得的枝晶一次間距均在Hunt-Lu模型上側(cè).一一v,=3.47 wms一120 40 u/ms-60 80不同抽拉速度下枝晶hl距與流速的關(guān)系廠LILILILILILILILILIL1200 00 00 00 0000圖6 5 4 32es 日二嘆 圖12給出了不同抽拉速度下枝晶間距與流速之間的關(guān)系，圖中可以看出在抽拉速度較小時(shí)，隨著流速的增加，枝晶一次間距減小;在抽拉速度較大時(shí)，隨著流速的增加，枝晶一次間距增大.更要值得注意的是，在無強(qiáng)制對(duì)流時(shí)，不同抽拉速度對(duì)應(yīng)的枝晶一次間距有非常大的差異，而當(dāng)存在強(qiáng)制液相對(duì)流時(shí)，由抽拉速度產(chǎn)生的枝晶一次間距差異減小，并且最終會(huì)使得枝晶一次間距穩(wěn)定在一個(gè)范圍. 為了明晰較低抽拉速度下液相對(duì)流對(duì)枝晶一次間距的作用機(jī)理，圖13進(jìn)一步給出了在較低抽拉速度下形成的穩(wěn)定枝晶列隨著液相對(duì)流的施加，其形貌的演化過程.其中圖13(a)為未施加強(qiáng)制液相對(duì)流時(shí)的枝晶生長形貌.待該枝晶列達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，施加強(qiáng)制液相對(duì)流.圖13b一(e顯示了強(qiáng)制液相對(duì)流施加后枝晶形貌的演化過程.可以看到，在未施加強(qiáng)制液相對(duì)流作用時(shí)，較低抽拉速度所對(duì)應(yīng)的枝晶一次間距較大，枝晶間的液相分?jǐn)?shù)也較大.這樣，當(dāng)引入液相對(duì)流后，不僅在枝晶尖端前沿存在液相對(duì)流，同時(shí)，由于液相對(duì)流所導(dǎo)致的流體壓強(qiáng)降低，也使得在枝晶間存在向界面前沿的液相對(duì)流.枝晶間的液相對(duì)流將枝晶兩側(cè)的溶質(zhì)帶到枝晶尖端前沿，使得枝晶間的溶質(zhì)富集降低，枝晶間兩側(cè)相對(duì)的枝晶二次臂和三次臂的生長速度都得到了加快，而枝晶尖端由于溶質(zhì)富集，尖端的生長速度逐步減小并逐步鈍化如圖13(b)所示.當(dāng)枝晶間的溶質(zhì)富集進(jìn)一步降低，而枝晶尖端的溶質(zhì)富集進(jìn)一步加重.一方面，枝晶兩側(cè)的二次臂向三次臂的分支逐漸加快，同時(shí)三次臂逐漸生長超過尖端時(shí)，形成新的枝晶主干;另一方面，鈍化的枝晶尖端由于曲率減小所導(dǎo)致的界面能穩(wěn)定性作用的減弱，也像前一節(jié)所觀察的胞晶尖端一樣，開始逐漸分岔，這兩方面的因素使得枝晶一次間距急劇減小，如圖13(c), (d)所示.最終形成的類胞狀的退化枝晶形態(tài)，如圖13(e)所示.這實(shí)際也意味著強(qiáng)制液相對(duì)流提高了胞枝轉(zhuǎn)變的臨界速度.孫東科fll和石玉峰zo等通過數(shù)值模擬方法研究對(duì)流對(duì)枝晶尖端生長速度的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)對(duì)流使得枝晶間溶質(zhì)富集減少，出現(xiàn)枝晶一次臂湮沒和分枝的現(xiàn)象，與本文一致.另外，對(duì)于低速枝晶，其枝晶間距較大，三次臂有較充足的發(fā)展空間，同時(shí)，橫向濃度梯度應(yīng)該低于縱向，因此，二次臂生長不容易抑制三次臂形成主干，使得枝晶一次間距減小.但是由于枝晶尖端的穩(wěn)定性要比胞晶強(qiáng)，而且分岔不會(huì)像胞晶那么嚴(yán)重，因此枝晶間距會(huì)減小但沒有低于Hunt-Lu模型的枝晶間距下限.而較大抽拉速度對(duì)應(yīng)的枝晶一次間距較小，枝晶間的液相分?jǐn)?shù)也較小.這樣，枝晶間的液相對(duì)流相對(duì)較弱，而且枝晶尖端前沿富集減弱，枝晶尖端比較穩(wěn)定.并且由于枝晶間對(duì)流的作用較弱，縱向的濃度梯度也較小，三次臂的生長受到二次臂的抑制，但是枝晶尖端前沿的液相對(duì)流會(huì)將枝晶迎流側(cè)溶質(zhì)帶到背流側(cè)，使得其迎流側(cè)二次臂生長速度加大，進(jìn)而抑制其上游枝晶主干的生長，最終使得枝晶一次間距變大，如圖14所示.劉山m和王建元等zz考察流動(dòng)對(duì)透明合金枝晶生長影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)液相對(duì)流使得枝晶一次間距增大，這與本文在抽拉速度較大時(shí)所得結(jié)果一致，相信這與其所采用的較大抽拉速度有關(guān).Trivedi等m在研究Al-Cu合金定向凝固時(shí)發(fā)現(xiàn)流動(dòng)使得枝晶一次間距減小并提高了胞枝轉(zhuǎn)變臨界速度，隨后Spinelli等y s研究Al-Cu合金定向凝固過程中枝晶間流動(dòng)對(duì)枝晶一次間距的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)枝晶間的流動(dòng)會(huì)減小枝晶一次間距，與本文在抽拉速度較小時(shí)所得結(jié)果一致.4結(jié)論 本文采用透明合金SCN-1.8wt%Ace，研究了在溫度梯度GT = 6 K/mm下強(qiáng)制液相對(duì)流(流速14.3-69.7 m/s)對(duì)定向凝固過程中胞/枝晶間距的影響，主要得出以下結(jié)論: 1.在液相對(duì)流作用下，胞晶尖端前沿的溶質(zhì)場發(fā)生了變化，造成胞晶尖端極易分岔且組織細(xì)化胞晶間距減小.隨著對(duì)流流速越大胞晶間距越小，當(dāng)流速加大到一定值時(shí)，胞晶間距減小趨勢減弱最終胞晶間距會(huì)趨于穩(wěn)定. 2.抽拉速度較低臨近胞枝轉(zhuǎn)變區(qū)時(shí)，枝晶尖端前沿和枝晶間存在的液相對(duì)流使得枝晶尖端前沿以及枝晶尖端兩側(cè)的溶質(zhì)場發(fā)生了變化，使得枝晶尖端的生長速度減小并低于兩側(cè)三次臂的生長速度，最終枝晶一次間距減小，在給定的流速范圍內(nèi)，流速越大枝晶一次間距越小. 3.抽拉速度較大時(shí)，主要是枝晶尖端前沿液相對(duì)流改變了枝晶尖端前沿的溶質(zhì)場使得枝晶二次臂抑制上游枝晶生長枝晶一次間距增大，并且在給定的流速范圍內(nèi)，枝晶一次間距隨著流速的增大而士曾大. 1 Kurz W, Fisher D J 1986 Fundamentals of solidifrcation (3rd Edn.) 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