强磁场下深过冷金属熔体中的枝晶生长动力学研究

LKT/BCT枝晶生长理论是基于纯扩散假定建立的解析理论，但文献中的枝晶生长速率实验数据大多是在液相内存在对流的条件下测得的。为了检验LKT/BCT枝晶生长理论的可靠性，本项目利用超导强磁场和熔融玻璃净化深过冷技术在地面条件下建立准纯扩散环境。在此基础上，采用数字化高速摄影技术和计算机三维动画技术对典型金属、金属间化合物和二元合金过冷熔体中的枝晶生长速率进行精确测定。项目的研究结果对于检验和发展LKT/BCT枝晶生长理论具有重要的理论意义，并可为枝晶生长的计算机模拟研究提供必要的参考数据。

LKT/BCT枝晶生长理论是基于纯扩散假定建立的解析理论，但文献中报道的枝晶生长速率实验数据大多是在熔体内存在对流的条件下测得的。为了检验LKT/BCT枝晶生长理论的可靠性，本项目采用熔融玻璃净化技术和超导磁体相结合的条件下实现了纯金属Ni、Fe和Co、金属间化合物FeSi、Ni3Sn2和Ni2Si以及二元合金Ni-B、Ni-Cu、Ni-Si和Ni-Sn等模型材料在静磁场下的深过冷和快速凝固，采用数字化高速摄影技术对过冷熔体的快速凝固过程进行了原位观测，采用计算机软件对记录下的样品表面的再辉过程进行了模拟，确定了过冷熔体中的枝晶生长速率，建立了不同强度的静磁场下各类材料中的枝晶生长速率随过冷度的变化规律。对大部分模型材料而言，静磁场主要影响中低过冷度区域的枝晶生长速率。但是，金属间化合物是例外，除非发生完全的无序截留，否则静磁场对其整个过冷度区域的枝晶生长速率均有影响。在0～3T磁场范围内，提高磁场强度可以减小枝晶生长速率；在3～6T的磁场范围内，提高磁场强度则使枝晶生长速率出现回升的趋势。分析认为：施加较低强度的静磁场减轻了过冷熔体中的对流，从而使枝晶生长速率出现了下降；施加较高强度的静磁场则在枝晶周围激发了热电磁对流，从而使枝晶生长速率出现了回升。采用LKT/BCT枝晶生长理论和最小二乘算法对实验测量的数据进行了分析。结果表明，只要对模型中有效溶质扩散系数和有效热扩散系数选择恰当的取值，LKT/BCT枝晶生长理论不仅可以很好地描述纯扩散条件下的枝晶生长速率，而且可以很好地描述有对流条件下的枝晶生长速率。对于纯金属和金属间化合物而言，静磁场通过改变有效热扩散系数而使枝晶生长速率发生改变；对于合金而言，静磁场则主要通过改变有效溶质扩散系数来使枝晶生长速率发生改变。这些研究成果对于定量认识和评价对流对枝晶生长过程的影响具有实际和理论参考价值。此外，本项目还对静磁场下部分二元合金的凝固组织进行了研究。结果表明，静磁场可以通过改变初生相的枝晶生长动力学来改变凝固组织中的晶粒形貌，进而影响第二相的形核动力学。这些结果对于设计新型的空间微重力实验以及开发基于强磁场的凝固组织调控技术具有参考价值。