[发明专利]一种电效应驱动凝固结晶过程的观测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种凝固结晶的观测方法。

背景技术

进入21世纪以来，高技术产业尤其是航空、航天及汽车工业对材料的使用要求越来越苛刻，科技人员迫切期待从控制材料的凝固进程入手寻求获得具有优异性能的新材料。对微重力场、电场、磁场、电磁场及超声波等外场作用下的材料凝固进程控制已展开了深入研究，并取得丰硕成果。其中电场作用下凝固技术具有设备简单，易操作，改变凝固组织明显等优点受到了极大的关注。

电场作用下的材料凝固进程研究始于上世纪60年代，至今已有近半个世纪，大量实验数据证实电场可以提高金属及其合金在凝固时固液(S/L)界面前沿处的温度梯度，影响其晶体生长，细化凝固组织。电场对金属及其合金凝固的影响机制可从以下几点考虑：(1)电场热效应或热电效应(包括Joule热效应，Seebeck效应，Peltier效应，Thomson效应)；(2)电迁移；(3)电场感生出Lorentz力驱动熔体流动。热效应直接影响S/L界面处的温度场，造成S/L界面处凝固方向上温度梯度的变化。电迁移影响凝固溶质分配系数。金属凝固前液相的流动对凝固进程的传热、传质及动量传输过程产生影响。此三者互相制约，耦合关系如图1所示。

为直观地表征金属及其合金的凝固行为特征包括溶质再分配、枝晶尖端生长，深入揭示材料凝固本质特征，科研工作者不断更新观测及分析手段。

研究者们将各种形式的电场应用到合金熔体阶段、普通凝固条件、定向凝固条件及凝固后热处理，选取的材料包括Pb-Sn、Zn合金、Al合金、铸铁、不锈钢、高锰钢、镁合金，分别得到电场影响金属凝固进程和改变凝固组织的实验结果。在对电场作用下探讨金属的凝固机制方面，学者们也进行了较为深入的研究。

顾根大在定向凝固条件下对Al–4.5wt.%Cu及Sn－5wt.%Bi合金施加平行于生长方向的稳衡电场时，考虑界面静电势、界面电压和电场强度、界面处原子的跳跃几率与界面电场的关系、溶质的电场能和界面能及固液两侧原子的能量状态后，给出在生长速度为零时的电场下界面分配系数的最终定量关系式。分析得出：随着电流密度增大合金的界面分配系数减小；直流电场显著提高了Sn－5%wt.Bi合金的界面稳定性，其作用表现在，平面界面→失稳界面→胞晶界面→枝晶界面转变的临界生长速度都随电流密度增大而迅速增大。认为，电场导致界面稳定性迅速增加的主要原因是电场使界面能和界面上最危险干扰波的频率增大及电场导致液相中对流增大。上海大学在定向凝固条件下研究脉冲电场对纯Al、Al合金固液界面形貌的影响，通过在Al-4.5wt.%Cu合金上下两端通以脉冲电流，发现：随着脉冲电流密度的增大，合金胞状晶间距及糊状区深度减小，而且其固液界面形貌从枝晶转向胞晶甚至平界面，脉冲电流使得固液界面前沿温度梯度增大，促进了溶质分布更加均匀，二次枝晶生长被抑制。众所周知在金属的定向凝固进程中，固液界面是决定材料凝固的重要因素，对材料的溶质分布、晶体形貌、组织结构有着重要影响，进而决定所凝固材料的性能，这说明脉冲电场对控制凝固界面前沿的凝固行为，改变溶质分配，影响固液界面前沿的温度梯度等方面必将发挥重要作用。

将直流电流和交流电流作用于铸造凝固过程的研究始于20世纪60年代，当时发现通入电流的Al-Ni合金熔体的最终凝固组织发生变化，特别是有效溶质分配系数发生变化，在共晶合金促进两个组成相的分离或偏聚。紧接着前苏联在70年代对铸铁凝固中施加电流，表明石墨相的平均尺寸减小了20%-40%，而且石墨相由片状变得卷曲，拉伸强度提高了30%。进入80年代以后，美国学者A.K.Misra在Pb-Sb-Sn三元合金凝固中通入直流电流，得到了细小均匀的凝固组织，共晶片层间距也减小到原来的1/4，且共晶团数量增加，这充分验证了电流有促进生核和抑制长大的假设。90年代以后国内外学者初步证实了电流密度与一次枝晶间距呈现线性反比关系，而且高的电流密度有利于增大凝固前沿固液两相的焦耳热差值，提高界面能，提高温度梯度，使得凝固界面稳定性增加。