定向凝固中的界面形态演化

定向凝固中的界面形态演化

引言

通常人们在研究金属及其合金的凝固时，由于金属本身的不透明性，使得人们无法动态实时观察金属内部凝固过程中凝固组织的演化与选择；而采用X射线透视或者原子力显微镜则代价较为高昂，也不可能获得对组织演化细节的清楚认识。由于熔体凝固时对流会造成材料组分上的变化，造成杂质条纹等缺陷。要获得高质量的材料，就要对凝固过程的熔体流动和其稳定性进行深入研究。借助实时观察方法对凝固过程进行实时原位观察，研究凝固过程中材料表面微观形貌和整体形态的变化以及流体运动，实现动态过程的可视化监测和测量，从中就可获得有关凝固的信息。

随着对凝固理论与晶体生长技术不断深入的研究，发现凝固形态是由晶体界面性质和凝固驱动力场的性质所完全决定的。界面性质决定了界面形态对驱动力场的响应性质，因而相似的界面性质在相似的驱动力场作用下将产生相似的动力学行为，从而导致相似的界面形态。

固--液界面可以分为两类[1]：规则界面和不规则界面。规则界面是指正常凝固条件下的平面、胞状和枝晶界面[2]。理论分析表明，只有当固--液界面能是各向异性时才能形成稳定枝晶界面[3]，通常情况下大多数材料是以稳定枝晶界面生长。

当晶体沿着一定的晶向生长时，如立方晶系的<111>晶向，固--液界面能接近于各向同性[4]，这时将会出现不规则界面。在这样的条件下，枝晶尖端常常随机分枝，分枝与枝晶干不对称，从而形成不规则界面。至今已经观察到几种不规则界面，如：倾斜枝晶界面、退化枝晶界面、海藻状晶体界面。

1实验方法

晶体生长室的最大平面放在x-y平面中，观察二维晶体生长。实验采用了丁二腈-5at%水来作为模拟晶体，测试开始前，试样加热至全部融化并静止一段时间冷却，使得试样内的熔质均匀化。温度通过采用SWP-T803数字控温仪控温，控温精度0.1°C，可在0°C到200°C范围内任意调节。加热至一定温度且保持恒定，试样内形成一定的温度梯度，试样放在温度梯度场中。晶体中温度的测量利用热电偶，晶体生长过程中，根据晶体界面的位置移动热电偶的位置，记录温度值，即可获得温度梯度值。

实验系统见图1，试样放入定向固系统中，使用CKX41型浮雕相衬显微镜可

以直接实时观察固-液界面结构，用CCD相机跟踪拍摄界面生长过程并记录下来。

2实验结果及分析

当合金以在较低速率凝固时，在固液界面上的溶质再分配达到局部平衡，其固液界面以平面向前推进。在描述平面向胞状转变时，Chalmers的成分过冷理论和Mullins的界面稳定性的动力学理论已被人被所广泛接受。当“组分过冷”开始出现时，平界面失稳，初始扰动并不是在整个界面上同时均匀地产生，而是在随机的位置上出现溶质富集的凹陷，这时即为平界面遭到破坏时的临界状态。随着“组分过冷”的增加，扰动向两侧发展。由于相邻扰动源间距不一定是波长的整数倍，在两波相汇处的波长不等于初始扰动的平均波长。扰动源处振幅发展较快，而两波交会处，不管其波长大小都趋于被淘汰。使得其相邻胞有较大的空间横向发展，从而长得很宽；宽度超过一定限度时，端部展平然后凹陷、分叉，使胞间距又减小。分叉长出的胞之间又相互竞争、淘汰，如此交替反复地演变。最后形成既不再分叉也不再淘汰的稳定胞晶列。如图2所示：

(d) (e) (f)

图2 V=1.37µm /s胞晶演变过程

随着凝固速率的增大，当生长速率V接近于某一值时，凝固前沿将变得不稳定，即Mullins-Sekerka 性失稳[5]，将导致胞状晶与枝状晶之间复杂的变换。胞晶前端的开叉奖随着生长速率得增大，这是竞争和淘汰发展很快，将不断的胞状界面将向树枝状界面转变。如图3所示：

（c）胞枝界面（d）树枝状界面

图3 V=5.16µm /s时的胞枝转变过程的实时观察

当生长速率增加时，枝晶间距也增加，一些枝晶被淘汰，经过一段竞争生长，生长优先的枝继续分裂，而落后的枝将由于周围枝的相互作用而被抑制。当凝固的方向接近于某一具有较小的界面张力各向异性方向时，很可能会出现“海藻”结构。比如，当具有立方结构的晶粒以接近于〈111〉晶面的方向生长时，因为高的对称性，界面张力接近于各向同性，其凝固界面前沿顶端将出现连续的不规则分裂[6]，当温度降低到一定的程度时，将发生“海藻”结构向枝晶结构的转变。退化枝晶界面的生长条件是，晶体的两个〈100〉晶轴与温度梯度方向成450角，如图4所示：

图4-1海藻晶形态图4-2退化枝晶形态退化枝晶界面处于动态变化之中，二次枝晶臂不断改变着生长方向。从一

次枝晶的后部向前二次臂的方向逐渐趋向于界面生长方向，生长一段时间后，界面上的一次被邻近的二次臂取代。图5显示了二次臂的方向逐渐变化和最后趋于界面生长方向的过程。

图5 退化枝晶二次臂的变化

3结论

晶体以较低的速率生长时，其固-液界面以平面或胞状向前推进。晶体界面形态的演化起源于平界面受到一定的初始扰动，导致平界面失稳，随着扰动的增加，在界面上产生胞晶，经过尖端分叉，竞争，淘汰，从而在界面上形成稳定胞晶列；扰动振幅发展很快的条件下，没有尖端分叉过程，竞争，淘汰发展很快，最终在界面上形成了稳定枝晶列。只要界面上有胞--枝共存，界面就是不稳定的，随着凝固速率的增大，胞晶将向枝晶转变。

当晶体沿一定的晶向生长时，固--液界面能近似各向同性，枝晶尖端随机分支，形成不规则界面。温度梯度和界面生长条件在一定范围内变化时，界面可以从一种生长方式变为另一种方式。退化枝晶界面处于动态变化中，一次臂生长方向不断改变，二次臂生长方向逐渐趋于界面移动方向，界面上的一次臂逐渐被二次臂取代。