強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)定向凝固丁二腈枝晶生長(zhǎng)速度的影響

張嘉偉，宋建宇，劉鳳國(guó)，婁長(zhǎng)勝

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽 110159)

金屬以枝晶生長(zhǎng)的方式進(jìn)行凝固，可以控制材料的晶粒取向，消除橫向晶界，提升材料總體的力學(xué)性能[1]。枝晶作為典型的單相合金生長(zhǎng)形態(tài)，在近幾十年來受到廣泛關(guān)注，而進(jìn)行特殊條件下的枝晶生長(zhǎng)控制技術(shù)成為科技工作者們的研究熱點(diǎn)。當(dāng)保持施加持續(xù)增大的壓力時(shí)，枝晶經(jīng)歷了一個(gè)生長(zhǎng)和再熔化的過程，當(dāng)施加周期性的增壓壓力時(shí)，由于有效過冷度的變化，枝晶重新生長(zhǎng)并周期性地熔化[2]。急冷條件下的快速凝固，可以大幅度提高過冷度，隨著冷卻速度的增加，形核率變大，凝固組織有明顯的細(xì)化現(xiàn)象，組織向細(xì)小等軸晶轉(zhuǎn)變[3-4]。

強(qiáng)磁場(chǎng)作為高能物理場(chǎng)，是特殊條件下的一種非接觸力場(chǎng)形態(tài)，可作用于物質(zhì)的原子尺度，進(jìn)而對(duì)材料的微觀組織和性能產(chǎn)生影響[5]。很多研究者[6-8]對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)下的枝晶生長(zhǎng)過程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明磁力顯示出最強(qiáng)大的能力來改變枝晶的生長(zhǎng)形貌，磁場(chǎng)對(duì)一次枝晶臂的偏轉(zhuǎn)角、枝晶臂間距和晶格常數(shù)有顯著的影響。

在強(qiáng)磁場(chǎng)影響枝晶生長(zhǎng)速度的問題上，張英杰[9]研究了靜磁場(chǎng)下純Ni枝晶生長(zhǎng)速度和磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系，指出大過冷度范圍內(nèi)，無磁場(chǎng)與不同靜磁場(chǎng)中的枝晶生長(zhǎng)速度基本一致，沒有明顯變化，但在中低過冷度范圍內(nèi)，不同靜磁場(chǎng)中純Ni的生長(zhǎng)速度都比無磁場(chǎng)下的值有所減小。靜磁場(chǎng)控制熔體中對(duì)流的作用主要有兩種途徑：(1)靜磁場(chǎng)與流動(dòng)熔體相互作用，產(chǎn)生與熔體流動(dòng)方向相反的洛倫茲力，抑制熔體中的對(duì)流；(2)靜磁場(chǎng)與枝晶尖端附近熱電電流相互作用，發(fā)生熱電磁對(duì)流效應(yīng)，產(chǎn)生熱電磁洛倫茲力驅(qū)使熔體流動(dòng)，促進(jìn)熔體中的對(duì)流。如果磁場(chǎng)強(qiáng)度較小，熱電磁洛倫茲力促進(jìn)對(duì)流作用不明顯，所以靜磁場(chǎng)抑制對(duì)流效果逐漸增強(qiáng)，相應(yīng)地，物質(zhì)的枝晶生長(zhǎng)速度將不斷減小。

從已有的研究來看，目前強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)材料枝晶生長(zhǎng)速度的影響機(jī)制還不甚清楚，為了進(jìn)一步發(fā)展強(qiáng)磁場(chǎng)在凝固過程中的應(yīng)用，進(jìn)行深入研究是必要的。本文對(duì)抗磁性物質(zhì)類金屬丁二腈(SCN)在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度和溫度梯度條件下的枝晶生長(zhǎng)速度進(jìn)行研究和比較，并用理論解釋其變化機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方法及過程

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

本研究采用純度為99.927%的類金屬丁二腈作為研究對(duì)象，用透明玻璃片制成尺寸為80mm×24mm×0.2mm的試樣盒。丁二腈的晶格為體心立方堆積，晶體<100>方向?yàn)橹駜?yōu)生長(zhǎng)方向，純丁二腈的凝固溫度為58.1℃[10]，在本實(shí)驗(yàn)中所使用的丁二腈樣品的凝固溫度，經(jīng)測(cè)量為(58.152±0.07)℃。

通過定向凝固裝置，得到丁二腈的枝晶生長(zhǎng)行為。該裝置冷端選用帕爾貼制冷片，熱端選用熱敏電阻，提供實(shí)驗(yàn)所需的溫度梯度，以此來控制樣品的凝固方向。強(qiáng)磁場(chǎng)下進(jìn)行丁二腈枝晶生長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)示意圖如圖1所示。

圖1 強(qiáng)磁場(chǎng)下丁二腈枝晶生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)示意圖

本研究中將溫度梯度分別設(shè)置為5℃·mm-1、10℃·mm-1和15℃·mm-1。實(shí)驗(yàn)過程中將定向凝固裝置固定在磁體內(nèi)部，使枝晶生長(zhǎng)方向與磁場(chǎng)方向垂直，并分別設(shè)置磁場(chǎng)強(qiáng)度為1T、2T、3T和4T。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

枝晶生長(zhǎng)穩(wěn)定后，以可視范圍中點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，記為0s。當(dāng)丁二腈枝晶生長(zhǎng)至基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，開始對(duì)生長(zhǎng)過程進(jìn)行記錄，作為研究目標(biāo)。

記錄視頻幀速為30fps，為確保準(zhǔn)確性，從基準(zhǔn)點(diǎn)位置算起，每隔6幀取一張截圖，即記錄的時(shí)間間隔為0.2s，測(cè)量不同時(shí)間內(nèi)的生長(zhǎng)距離。如圖2所示。

圖2 丁二腈枝晶生長(zhǎng)速度的測(cè)量

同時(shí)在試樣盒上固定5支熱電偶，每?jī)芍犭娕奸g距5mm。當(dāng)枝晶生長(zhǎng)經(jīng)過熱電偶標(biāo)記線時(shí)，記錄丁二腈的瞬時(shí)凝固溫度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 溫度梯度對(duì)丁二腈枝晶生長(zhǎng)速度的影響

在枝晶生長(zhǎng)過程中不同的溫度梯度下，記錄丁二腈不同生長(zhǎng)時(shí)間下的生長(zhǎng)距離，每組實(shí)驗(yàn)條件下分別進(jìn)行三次記錄，以消除誤差。建立生長(zhǎng)距離-時(shí)間(S-t)線性關(guān)系曲線，經(jīng)過擬合，取其斜率作為丁二腈瞬時(shí)生長(zhǎng)速度，即為丁二腈固液界面前沿在不同生長(zhǎng)環(huán)境下的推進(jìn)速度。

將不同溫度梯度、不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的生長(zhǎng)速度隨時(shí)間的變化數(shù)值進(jìn)行整理，得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1為不同實(shí)驗(yàn)條件下丁二腈生長(zhǎng)速度隨時(shí)間變化規(guī)律表，在磁場(chǎng)強(qiáng)度和溫度梯度不變的情況下，其生長(zhǎng)速度隨時(shí)間的推移不斷減小。這是由于固液界面前沿的溫度差在逐漸減小，導(dǎo)致丁二腈生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力逐漸減小。

表1 丁二腈生長(zhǎng)速度隨時(shí)間變化數(shù)值表 μm·s-1

取丁二腈凝固至基準(zhǔn)點(diǎn)位置時(shí)的瞬時(shí)生長(zhǎng)速度作為研究目標(biāo)，研究不同溫度梯度對(duì)丁二腈枝晶生長(zhǎng)速度的影響。

透水性瀝青路面作為公路瀝青路面施工建設(shè)的重要組成部分，相關(guān)人員需明確其施工使用性能的情況下，著手開展拌和、攤鋪以及碾壓等施工項(xiàng)目的質(zhì)量控制工作。然而，在施工實(shí)踐過程中，施工質(zhì)量控制措施的應(yīng)用效果并不理想，這與施工建設(shè)人員未重視施工工藝方法的優(yōu)化運(yùn)用密切相關(guān)。為此，施工質(zhì)量控制人員應(yīng)從實(shí)踐角度出發(fā)，以提高措施運(yùn)用實(shí)踐的科學(xué)合理性，保證透水性瀝青路面的施工建設(shè)質(zhì)量，服務(wù)于現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)建設(shè)背景下對(duì)道路交通系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境所提出的安全可靠需求。

磁場(chǎng)強(qiáng)度不變的情況下，丁二腈的枝晶生長(zhǎng)速度均隨溫度梯度的增大而加快，且磁場(chǎng)因素對(duì)該變化趨勢(shì)的影響不大，如圖3所示。

圖3 不同溫度梯度下丁二腈枝晶生長(zhǎng)速度

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中丁二腈固液界面溫度的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度不變時(shí)，增大溫度梯度，丁二腈的固液界面溫度隨之下降，即表明溫度梯度增大時(shí)，枝晶凝固過程中的過冷度也隨之增大。

在過冷度較小的凝固過程中，經(jīng)典LGK模型[11]將枝晶尖端過冷度ΔTt近似視為動(dòng)力學(xué)過冷ΔTk、溶質(zhì)過冷ΔTc和曲率過冷ΔTr的總和。

而溫度梯度的增大，造成了動(dòng)力學(xué)過冷ΔTk的增大，因此凝固過冷度值也隨之增大。而過冷度作為枝晶生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力，會(huì)直接影響枝晶的生長(zhǎng)速度，因此，丁二腈的枝晶生長(zhǎng)速度會(huì)隨溫度梯度的增大而加快。

2.2 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)丁二腈枝晶生長(zhǎng)速度的影響

為觀察不同溫度梯度下生長(zhǎng)速度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化情況，取每種實(shí)驗(yàn)條件下丁二腈生長(zhǎng)過基準(zhǔn)點(diǎn)的瞬時(shí)速度作為參考對(duì)象，并將所有生長(zhǎng)速度數(shù)值繪制成圖表，如圖4所示。

由圖4可知，在溫度梯度不變的條件下，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，丁二腈的枝晶生長(zhǎng)速度下降。

圖4 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下丁二腈枝晶生長(zhǎng)速度

實(shí)驗(yàn)中對(duì)丁二腈的固液界面穩(wěn)定進(jìn)行同步測(cè)量，結(jié)果表明，丁二腈的固液界面前沿溫度和過冷度不僅受到凝固過程中溫度梯度的影響，也受磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響。

在磁場(chǎng)強(qiáng)度不變的情況下，固液界面溫度隨溫度梯度的增大而減小，即過冷度隨溫度梯度的增加而增大。而溫度梯度不變的情況下，凝固溫度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大，即過冷度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而減小。

因此可以得出，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增大時(shí)，丁二腈枝晶生長(zhǎng)凝固過冷度減小，枝晶生長(zhǎng)速度下降。

LGK模型將定向凝固枝晶尖端固液界面前沿的過冷度分為動(dòng)力學(xué)過冷、溶質(zhì)過冷和曲率過冷。本研究中針對(duì)枝晶生長(zhǎng)速度，可以得出，強(qiáng)磁場(chǎng)影響了丁二腈凝固過程中的動(dòng)力學(xué)過冷因素，導(dǎo)致枝晶生長(zhǎng)速度的變化。

2.3 磁場(chǎng)影響丁二腈枝晶生長(zhǎng)速度的變化機(jī)制

如上所述，丁二腈枝晶生長(zhǎng)速度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而減小，且溫度測(cè)量結(jié)果顯示，丁二腈的凝固溫度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大。

由此得出，強(qiáng)磁場(chǎng)影響了丁二腈枝晶生長(zhǎng)的過冷度，從而改變了枝晶生長(zhǎng)速度。磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，凝固過冷度ΔT減小，枝晶生長(zhǎng)速度v減慢；磁場(chǎng)強(qiáng)度減小，凝固過冷度ΔT增大，枝晶生長(zhǎng)速度v加快。

生長(zhǎng)速度變化的原因除強(qiáng)磁場(chǎng)影響了丁二腈的凝固過冷度外，還因?yàn)槎《嬖趶?qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中凝固時(shí)，產(chǎn)生了磁吉布斯自由能[12]。

丁二腈在無磁場(chǎng)環(huán)境下以枝晶生長(zhǎng)方式凝固，其生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力的來源主要是兩端的溫度梯度，作為純物質(zhì)，在強(qiáng)磁場(chǎng)中凝固，其液相和固相的吉布斯自由能就會(huì)發(fā)生變化，所以丁二腈定向凝固過程中的過冷度必然會(huì)發(fā)生變化，在溫度梯度不變的情況下，物質(zhì)在外磁場(chǎng)中的磁化能量引起了體系吉布斯自由能的變化。

順磁性物質(zhì)的磁吉布斯自由能GT,P<0，抗磁性物質(zhì)的磁吉布斯自由能GT,P>0。由于丁二腈表現(xiàn)為抗磁性，因此磁場(chǎng)環(huán)境內(nèi)其磁吉布斯自由能大于零，這部分自由能消除了正常條件下的驅(qū)動(dòng)力，提高了固液相變轉(zhuǎn)換溫度，導(dǎo)致過冷度的降低。強(qiáng)磁場(chǎng)作用下吉布斯自由能和凝固溫度的變化如圖5所示。

圖5 強(qiáng)磁場(chǎng)作用下吉布斯自由能和凝固溫度的變化

由此可以得出，在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，丁二腈的枝晶凝固過冷度發(fā)生了變化，當(dāng)溫度梯度不變時(shí)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，丁二腈的凝固過冷度減小，因此導(dǎo)致了枝晶生長(zhǎng)速度的減慢。

3 結(jié)論

(1)在磁場(chǎng)強(qiáng)度不變的情況下，隨著溫度梯度的增大，丁二腈的枝晶生長(zhǎng)速度加快。這是因?yàn)闇囟忍荻鹊脑黾釉龃罅四踢^冷度，致使丁二腈的生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力增大。

(2)當(dāng)溫度梯度不變時(shí)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，丁二腈的枝晶生長(zhǎng)速度減慢。同時(shí)經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)磁場(chǎng)改變了丁二腈的凝固過冷度，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增大時(shí)，丁二腈的凝固過冷度減小。

(3)強(qiáng)磁場(chǎng)影響丁二腈枝晶生長(zhǎng)速度的內(nèi)在機(jī)制是，抗磁性物質(zhì)的凝固過冷度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而減小，且產(chǎn)生磁吉布斯自由能使總自由能降低，因此枝晶生長(zhǎng)速度減慢。