亚快速凝固结晶取向对结晶形态选择的影响

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1994.01.007 第16卷第1期 北京科技大学学报 Vol.16 No.1 1994年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.1994 亚快速凝固结晶取向对结晶形态选择的影响* 蒋成保1) 胡汉起) 张虎2) 1)北京科技大学材料科学与工程系，北京1000832)北京科技大学冶金系，北京100083 摘要采用区域熔化定向凝固装置，对冷却速度在13~130K/5范围内Ni-5%Cu合金的结品 形貌研究表明：在温度梯度1300K/cm条件下，晶体生长速度v=500m/s时，不同结晶取向品 粒的结晶形貌不同：当晶体生长速度v=8O0m/s时，不同结品取向品粒的细胞晶间距不同，亚 快速凝固条件下，晶体生长方向对结品形貌的影响非常显著， 关键词结品取向，凝固，结晶形貌 中图分类号TG244.3 Influence of the Crystalline Growth Orientation on the Microstructure in Hyporapid Solidification Jiang Chengbao)Hu Hangi2)Zhang Hu2) 1)Department of Material Science and Technology.USTB.Beijing 100083,PRC 2)Department of Metallurgy ,USTB ABSTRACT The solidified microstructure of Ni-5%Cu alloy is researched at the cooling rate range of 13~130K/s with zone melting unidirectional solidification apparatus.It indicates that the crystals with different crystalline growth orientation have different solidified microstructures on the condition of G=1300K/cm,v=500um/s.The crystals have different superfine cellular spacing due to the crystalline growth orientation with G=1300K/cm, v=800um/s.The crystalline orientation has a great effect on the solidified microstructure in hyporapid solidification. KEY WORDS crystalline growth orientation,solidification,solidified microstructure 亚快速定向凝固工艺，不仅能有效地提高生产率，而且可以改善材料的性能和开发新型 材料，这项技术已经引起冶金和材料科学专家们的广泛重视·通过亚快速定向凝固工艺制备的 材料，具有单向生长、晶粒细化和成分均匀等特点·对亚快速凝固过程的研究才刚刚起步， 晶体生长方向在亚快速凝固过程中的行为研究至今无人问津·通过研究亚快速凝固条件下， 晶体的结晶取向规律，以及晶体生长方向和结晶形貌的关系，可以进一步认识亚快速凝固过 程中的凝固行为，为研制和开发新材料提供理论基础· 1993-06-04收稿第一作者男25岁博上生 ·国家教委博士点基金资助项日

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 苗 白 功 亚快速凝固结晶取 向对结晶形态选择的影 响 ’ 蒋成保 ’ 胡 汉 起 “ 张 虎 北 京 科 技 大 学 材 料 科 学 与工 程 系 ， 北 京 〕 北 京科技大 学 冶金 系 ， 北京 以〕 摘要 采 用 区 域熔化定 向凝 固 装置 ， 对冷却 速度 在 一 范 围 内 一 合 金 的 结 晶 形 貌研究表 明 在 温 度梯度 歹刃 条件下 ， 晶体生 长速度 。 ，以称皿 时 ， 不 同结 晶取 向晶 粒 的结 晶形 貌不 同 当晶体生 长 速度 。 拟洲” 川 时 ， 不 同结 晶取 向晶粒 的细 胞 晶 间距 不 同 亚 快 速凝 固条 件下 ， 晶体生 长方 向对结 晶形貌 的影 响非 常显 著 关键词 结 晶取 向 ， 凝 固 ， 结 晶形貌 中图分类号 必 ’ 尧 犯 随 ， 叮 ， 瓦】 ， 块 堪卿 ， 访 而 一 万 一 二 坦 讯 此 阳 洲 饭 刀 ℃ 代万 ， 才 了 卿 戊 澎 ， 召 五 盼 双 饭时 而 访 】万 。 洲 ， 讯以 ， 币 而 亚快 速定 向凝 固工 艺 ， 不 仅能有 效地 提 高生产 率 ， 而且 可 以 改善 材料 的性 能 和 开发新 型 材料 这项技 术 已 经 引起 冶金 和 材料 科 学 专家们 的广泛重视 通过亚快速定 向凝固工艺制备的 材料 ， 具有单 向生 长 、 晶粒 细 化 和 成 分均 匀等 特点 对亚快 速凝 固过 程 的研 究 才 刚 刚 起 步 ， 晶体 生长方 向在 亚 快 速 凝 固过程 中的行 为研究 至今 无 人 问津 通 过研 究 亚 快 速 凝 固 条 件 下 ， 晶体 的 结 晶取 向规律 ， 以 及 晶体生 长方 向和 结 晶形 貌 的 关 系 ， 可 以 进 一步 认 识 亚快 速凝 固过 程 中的凝 固行 为 ， 为研 制和 开 发新 材料提 供理论基 础 卯 一 肠 一 伙 收稿 第 一 作者 男 岁 博 士 生 国 家教 委博 士 点基 金 资助 项 目 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1994．01．007

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第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 苗 白 功 亚快速凝固结晶取 向对结晶形态选择的影 响 ’ 蒋成保 ’ 胡 汉 起 “ 张 虎 北 京 科 技 大 学 材 料 科 学 与工 程 系 ， 北 京 〕 北 京科技大 学 冶金 系 ， 北京 以〕 摘要 采 用 区 域熔化定 向凝 固 装置 ， 对冷却 速度 在 一 范 围 内 一 合 金 的 结 晶 形 貌研究表 明 在 温 度梯度 歹刃 条件下 ， 晶体生 长速度 。 ，以称皿 时 ， 不 同结 晶取 向晶 粒 的结 晶形 貌不 同 当晶体生 长 速度 。 拟洲” 川 时 ， 不 同结 晶取 向晶粒 的细 胞 晶 间距 不 同 亚 快 速凝 固条 件下 ， 晶体生 长方 向对结 晶形貌 的影 响非 常显 著 关键词 结 晶取 向 ， 凝 固 ， 结 晶形貌 中图分类号 必 ’ 尧 犯 随 ， 叮 ， 瓦】 ， 块 堪卿 ， 访 而 一 万 一 二 坦 讯 此 阳 洲 饭 刀 ℃ 代万 ， 才 了 卿 戊 澎 ， 召 五 盼 双 饭时 而 访 】万 。 洲 ， 讯以 ， 币 而 亚快 速定 向凝 固工 艺 ， 不 仅能有 效地 提 高生产 率 ， 而且 可 以 改善 材料 的性 能 和 开发新 型 材料 这项技 术 已 经 引起 冶金 和 材料 科 学 专家们 的广泛重视 通过亚快速定 向凝固工艺制备的 材料 ， 具有单 向生 长 、 晶粒 细 化 和 成 分均 匀等 特点 对亚快 速凝 固过 程 的研 究 才 刚 刚 起 步 ， 晶体 生长方 向在 亚 快 速 凝 固过程 中的行 为研究 至今 无 人 问津 通 过研 究 亚 快 速 凝 固 条 件 下 ， 晶体 的 结 晶取 向规律 ， 以 及 晶体生 长方 向和 结 晶形 貌 的 关 系 ， 可 以 进 一步 认 识 亚快 速凝 固过 程 中的凝 固行 为 ， 为研 制和 开 发新 材料提 供理论基 础 卯 一 肠 一 伙 收稿 第 一 作者 男 岁 博 士 生 国 家教 委博 士 点基 金 资助 项 目

Vol.16 No.1 蒋成保等：亚快速凝固结品取向对结品形态选择的影响 ·33· 时，比界面能大，力图使细胞晶端部球冠面积减小，表现出的是胞间距小， 图33#号样中两晶粒的劳埃相 (a)左边晶粒劳埃相；(b)右边相粒劳埃相 Fig.3 The two grains of No.3 sample X-ray Laue diffraction patter 图45#号样中两晶粒的劳厄相 (a)晶粒的劳埃相；(b)晶粒的劳埃相 Fig.4 The two grains of No.5 sample X-ray Laue diffraction patter 可以认为：当晶体以低指数方向（如[100]方向）生长时，在相同的凝固条件下，细胞 晶间距最大，随着晶体生长偏离[1O0]方向角度增大，细胞晶间距减小· 2,2晶体生长方向和结晶形貌的关系 由上面分析可知，晶体以[100]方向生长时，其固液界面的比界面能最低，以[120]方 向生长时，其比界面能高，二次臂的形成与发展遵循界面稳定性动力学理论，界面稳定性动 力学理论的判别式为2：

蒋 成保等 亚快速 凝 固 结 晶取 向对结 晶形 态选 择的影 响 时 ， 比界 面能 大 ， 力图使 细 胞 晶端 部 球 冠 面积减 小 ， 表 现 出的是 胞 间距 小 ， 图 号样中两 晶粒的劳埃 相 左边晶粒劳埃相 右边 相粒劳埃相 吨 抽 吸” 孚亩璐 户 一 世 击任治 血价 户 图 号样 中两 晶粒的劳厄相 晶粒的劳埃相 晶粒的劳埃相 瑰 飞犯 梢〕 孚俪璐 面 沙 一 理 山场旧侧汕 碑恤” 可 以 认 为 当晶体 以 低 指 数方 向 如 【 方 向 生 长 时 ， 在相 同 的凝 固条 件 下 ， 细 胞 晶 间距最大 ， 随着 晶体 生长偏 离 【 方 向角度 增大 ， 细 胞 晶 间距减 小 晶体生 长 方 向和 结 晶形貌 的关 系 由上 面分 析 可 知 ， 晶体 以 【 方 向生 长 时 ， 其 固 液 界 面 的 比界 面 能 最 低 ， 以 【 方 向生 长 时 ， 其 比界 面 能 高 二 次臂 的形成 与发展遵 循界 面稳 定性 动力学理 论 界 面稳定性动 力 学理 论 的判 别式 为 ‘

.34. 北京科技大学学报 1994年No.1 S(o)--TFo-(+g)+mG.o-(oD)() 四`-(v/D) T=0/H 式中σ：固液界面的比界面能：H:单位体积溶剂的结晶潜热；ω：干扰波频率. 以[120]方向生长的比界面能0，大于以[100]方向生长的比界面能o2,所以S(ω，)<S(ω2) 结果是晶体以[120]方向生长时，界面稳定，二次臂被抑制，以细胞晶方式生长；品体以[100] 方向生长，界面失稳，出现了二次臂，按树枝晶方式生长，如图1所示· 亚快速凝固条件下，晶体生长速度较快，干扰波频率高，上式中表面能作用项会因结 晶取向不同，差别较大，突出地表现在亚快速凝固条件下，界面能是影响结晶形貌的决定 性因素之一，晶体生长方向对结晶形态选择影响显著， 2.3细胞晶生长结晶取向各向同性 实验中测得细胞晶以[100小、[120]和[211]方向生长.可以判定，亚快速凝固条件下， 晶体不仅是以<100>方向择优取向，可以朝任意晶体学方向生长，这是亚快速凝固条件下 晶体生长的一大特点· 亚快速凝固过程，冷却速度较快，属于非平衡凝固过程，生长过冷度大，液固体积自 由能差大.因而，从热力学上来看，细胞晶以任意晶体学方向生长，都能满足晶体长大所需 要的体积自由能的要求，所以说，细胞晶生长结果取向各向同性，热力学上是完全可能的· 3结论 (1)亚快速凝固条件下，晶体生长方向对凝固形态选择影响显著.G=1300K/cm, =500m/s时，以[100]方向生长的晶粒，为树枝晶形貌；以[120]方向生长的晶粒，为细 胞品形貌，v=800/s时，以[100]方向生长的细胞晶，其胞品间距是28m;以[211]方 向生长的细胞晶，其胞品间距是16.54m, (2)细胞晶生长时，晶体生长方向具有各向同性的特点，晶体学优先生长的趋势被抑制. 参考文献 1胡汉起·金属凝固原理.北京：机械工业出版社，1991.84~95 2 Mullins WW,Sekerka R F.Stability of a Planar Interfcae During Solidification of a Dilute Binary Alloy. J Appl Phys,1964.35:444~451

北 京 科 技 大 学 学 报 塑科 年 。 一 凡 。 ，一 冬 。 ， 乙 。 田 一 气妙 刀 卞 个 阴 叭 ，，二一下一一 蕊灭下 一一二丁 田 一 气 ， 一 场 ， 厂 。 式 中 固液界 面 的 比界 面 能 单位体积溶 剂 的结 晶潜热 。 干扰 波 频率 以 【 』方 向生 长 的 比界 面能 。 大 于 以 【 方 向生 长 的 比界 面 能 。 ， 所 以 。 ， 。 结果 是 晶体 以 【 方 向生 长 时 ， 界面稳定 ， 二次臂被抑制 ， 以 细胞晶方式生长 晶体以 【 方 向生 长 ， 界 面失稳 ， 出 现 了二次臂 ， 按 树枝 晶方 式 生 长 如 图 所示 亚快 速凝 固条件 下 ， 晶 体 生 长速 度 较快 ， 干扰波 频 率 高 上 式 中 表 面 能 作 用 项 会 因 结 晶取 向不 同 ， 差 别 较大 ， 突 出地 表 现在 亚 快 速 凝 固 条 件 下 ， 界 面 能 是 影 响 结 晶 形 貌 的 决定 性 因素 之 一 ， 晶体 生 长方 向对结 晶形 态 选 择影 响显著 细 胞 晶生 长 结 晶取 向各 向 同性 实验 中测 得 细胞 晶 以 【 、 【 和 【 方 向生 长 可 以 判 定 ， 亚 快 速 凝 固 条 件 下 ， 晶体不仅是 以 方 向择优取 向 ， 可 以 朝 任 意 晶体学方 向生 长 ， 这是 亚快 速 凝 固 条 件 下 晶体生 长 的一 大 特 点 亚快 速凝 固过程 ， 冷却 速 度 较快 ， 属 于 非 平 衡 凝 固 过 程 ， 生 长 过 冷 度 大 ， 液 固 体 积 自 由能 差 大 因而 ， 从 热力 学 上 来 看 ， 细 胞 晶 以 任 意 晶体学方 向生 长 ， 都 能满 足 晶体长大 所需 要 的体积 自由能 的要 求 所 以 说 ， 细胞 晶 生 长结果 取 向各 向同性 ， 热 力学 上 是 完全可 能 的 结 论 亚 快 速 凝 固 条 件 下 ， 晶 体 生 长 方 向 对 凝 固 形 态 选 择 影 响 显 著 一 ， 。 召 时 ， 以 「 方 向 生 长 的 晶 粒 ， 为树枝 晶 形 貌 以 【 方 向 生 长 的 晶 粒 ， 为 细 胞 晶 形 貌 。 一 时 ， 以 方 向 生 长 的 细胞 晶 ， 其胞 晶 间距 是 之 以 【 方 向生 长 的 细 胞 晶 ， 其胞 晶 间距 是 拜 细 胞 晶 生 长 时 ， 晶 体生 长方向具有各向同性 的特 点 ， 晶体学优先 生 长 的 趋 势被抑 制 参 考 文 献 胡汉起 山 金 属 凝 固原理 北 京 机械工 业 出版社 ， 卯 一 ， 八 灭闷 卜月 一 苗泊 面 势