交流电场对定向凝固及界面溶质分配系数的影响

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2006.02.029 第28卷第2期 北京科技大学学报 Vol.28N0.2 2006年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2006 交流电场对定向凝固及界面溶质分配系数的影响 郭发军陆巧彤李玲珍宗燕兵苍大强 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 摘要对交流电场作用下定向凝固组织的研究发现，交流电场对定向凝固组织有细化作用，且 随电流的增大，其效果越明显，同时交流电场使凝固界面的溶质含量减小.通过对电场各种作用的 分析发现：界面的化学势的减小使界面的稳定性增加；但界面能的增大、活度系数的减小以及界面 溶质层内的屣荡会使界面变薄，使界面的稳定性减小，从而破坏了胞晶的稳定生长，使柱状胞晶变 成细碎的晶体， 关健词交流电场；定向凝固组织；界面溶质含量；界面稳定性；晶粒细化 分类号TG142;TN751;TG113.12 关于直流电场对凝固界面溶质分配系数以及 为揭示电场改变凝固组织的机理，决定从电场对 对定向凝固组织的影响，许多人曾做过这方面的 凝固界面的稳定性开始，将凝固组织的变化和界 工作.顾根大1山在实验中发现，电场使界面的溶 面的稳定性有机的结合起来， 质分配系数减小，并且电场能够显著提高S-5% B合金界面的稳定性，同时还能提高胞晶界面的 1实验方法及设备 稳定性.在其博士论文中还引用了Verhoeven和 主要用的实验设备有，5mm和4mm的石 Pfann的研究成果，其中Verhoeven的研究表明电 英管，管式电阻炉，定向凝固炉，电场发生装置，电 场下液相接负极时Sn-Bi合金凝固的固相铋含量 极，刚玉坩埚，分析天平，Cu(分析纯99.99%)，A1 比原始含量还要高，说明此时界面溶质分配系数 (分析纯99.99%)，高纯Ar等. K大于1.但是，对于5mm的试样，交流电和直 配制Al-5%Cu的合金，制成直径为4mm, 流电都改变K,电场强度越大，其变化越大，由于 长30mm的合金棒；把制好的合金样放入刚玉管 交流电作用下的K溶质的电传输速度为0，所以 中，装入电极，制成定向凝固用的试样；然后把定 无法用电传输效应来解释交流电作用下的K变 向凝固炉加热到800℃，把制备好的试样放入定 化，这说明除了电传输效应外，还有其他效应影响 向凝固炉中，同时通入电流；恒温10min后，把调 K;Pfann导出了电场下有效分配系数的计算公 速电机的速度设定在4um·s1和10μm·s1的速 式.同时电场还有很多其他现象，例如Masayuki 度，运行1.5h后，对定向凝固试样突然淬火；取 Nakadat21等人在1990年对Sn-15%Pb合金熔液 出试样沿轴向切开，制备成金相试样放在显微镜 凝固开始阶段用电脉冲进行处理，得到了球状的 下观察其组织，并用电子探针（点扫描）对凝固界 细晶粒.Barnak等[3)对Sn%60-Pb40%和Sn%63 面附近的溶质含量进行测量；把制备好的定向凝 -Pb37%两种合金进行了实验，结果表明电脉冲 固试样清洗干净，放在电子探针分析仪上，首先找 使这两个合金的共晶团簇大大减小，直流电场还 到凝固界面，然后再沿界面向两侧进行定点分析， 可以使电流变液从液态变成固态，当撤掉电场后 加速电压15.00keV,激活时间6s,出射角 又从固态变成液态[4]；同时电场还能改变水滴在 39.05°，电子束的面积为34m×3μm,每隔3um 油相中的形态，在石油工业上提高水驱系油的效 测量一个点 率5].所有这些现象很可能是有密切联系的.本 文为了进一步研究电场对凝固组织的影响，同时 2 实验结果 收稿日期：2004-12-20修回日期：2005-09-09 图1中的三个试样的凝固生长速度都是4 作者简介：郭发军(1972一)，男，博士研究生：苍大强(1949一)， μm·s1,其中图1(a)是没有施加电场的空白试 男，教投 样，图1(b)是施加30A电流的凝固试样，图1(c)

第 2 8 卷 第 2 期 2 0 0 6 年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u rn a l o f U n i v e份 i t y o f SC enl ec a n d T ec h n o l呢y eB 幼i ng V o l 。 2 8 N o . 2 F e b 。 2 0 0 6 交流电场对定 向凝固及界面溶质分配系数的影响 郭发 军 法巧 形 李玲 珍 宗 燕兵 苍 大 强 北京科技大学冶金与生态工程学院 , 北京 1 0 00 83 摘 要 对交流 电场作用下定 向凝 固组织 的研究发现 , 交流 电场 对定向凝 固组 织有细化 作用 , 且 随电流 的增大 , 其效果越明显 , 同时交流电场使凝 固界面的溶质含量减小 . 通过对 电场各种 作用 的 分析发现 : 界面的化学势的减小使界面的稳定性增 加 ; 但界面能的增大 、 活度 系数的减小以 及界面 溶质层 内的震荡会使界 面变薄 , 使界面 的稳定性减小 , 从而破坏 了胞晶的稳定 生长 , 使柱状胞晶变 成 细碎 的晶体 . 关链词 交流 电场 ; 定 向凝固组织 ; 界面溶 质含量 ; 界面稳定性 ; 晶粒细化 分类号 T G 14 2 ; T N 7 5 1 ; T G l l 3 . 1 2 关于直 流 电场对凝 固界面溶质 分配 系数 以及 对 定向凝 固组 织 的 影 响 , 许 多 人 曾做过 这方 面 的 工 作 . 顾根 大川 在 实验 中发现 , 电场 使界 面 的溶 质分配 系数 减小 , 并且 电场能够显 著提 高 S n 一 5 % iB 合金界 面的稳 定性 , 同时还 能提高胞晶界 面 的 稳 定性 . 在其博士论文 中还 引 用 了 V er h oe ve n 和 P fa n n 的研 究成果 , 其 中 V er h oe ve n 的研究 表明 电 场下液相接负极 时 S n 一iB 合金凝固的固相 秘含 量 比原 始含量还 要 高 , 说 明此 时界 面 溶 质分 配 系 数 K 大于 1 . 但是 , 对于 忆 m m 的试 样 , 交 流 电和直 流 电都改变 K , 电场强 度越大 , 其变化越大 . 由于 交流 电作用下 的 K 溶 质的 电传 输速度 为 0 , 所 以 无法 用 电传输效 应来解释交 流 电作 用下 的 K 变 化 , 这说 明除了 电传输效应外 , 还有 其他效应影 响 K ; P fa n n 导 出 了 电场 下 有 效 分配 系 数 的计算公 式 . 同时 电场 还 有 很 多 其他 现 象 , 例如 M as ay uk i N a k a d a [ “ 〕等人 在 1 9 9 0 年对 s n 一 5 % Pb 合金熔 液 凝固开始 阶段 用 电脉冲进 行处 理 , 得 到 了 球状 的 细晶粒 . B a r n a k 等 [ ” ]对 s n % 6 0一 P b 4 o % 和 s n % 6 3 一 P b 3 7 % 两 种合金进 行 了实验 , 结 果 表 明 电脉 冲 使这两个合金 的共晶 团簇大大减小 . 直流 电场还 可以 使 电流 变液从液态变成 固 态 , 当撤 掉 电场 后 又 从固态变成 液 态’[1 ; 同 时电场 还能 改变水滴在 油相 中的形 态 , 在石 油 工 业上 提 高水驱 系 油 的效 率5[] . 所有这 些现象很 可能是 有密 切联 系的 . 本 文为了进 一步研 究电场 对凝 固组织 的影 响 , 同时 收稿 日期 : 2 0 0 4 一 12 一 2 0 修回 B 期 : 2 0 0 5一 9一9 作者简介 : 郭发军 ( 1 9 7 2一 ) , 男 , 博士研 究生 ; 苍大 强 ( 19 49 一 ) , 男 , 教授 为揭示 电场 改变凝 固组织 的机理 , 决定从电场 对 凝固界面 的稳 定性开 始 , 将凝 固组织 的变化和 界 面的稳定性有机 的结合 起来 . 1 实验方法及设备 主要 用的实验设备 有 , 朽 m m 和 似 m m 的石 英管 , 管式 电阻炉 , 定向凝固炉 , 电场发生装置 , 电 极 , 刚玉柑涡 , 分析天平 , C u( 分析纯 9 . 9 % ) , 川 ( 分析纯 9 , 9 % ) , 高纯 A r 等 . 配制 iA 一 5 % C u 的合金 , 制 成 直径为 似 m m , 长 30 m m 的合金棒 ; 把制好的合金 样放入 刚 玉管 中 , 装入 电极 , 制成 定 向凝固用 的试样 ; 然 后把 定 向凝 固炉加 热 到 8 0 ℃ , 把 制 备好的试 样放入 定 向凝固炉 中 , 同时通 入 电流 ; 恒温 10 m in 后 , 把 调 速电机的速 度设 定在 4 拌m · s 一 ` 和 10 拼m · s 一 ` 的速 度 , 运 行 1 . 5 h 后 , 对 定 向凝 固试 样 突 然 淬火 ; 取 出试样沿轴向切 开 , 制备成 金 相试 样 放在 显微镜 下观察其组 织 , 并用 电子 探 针 (点扫描 ) 对 凝固界 面附近 的溶质 含 量进 行 测 量 ; 把制备好 的定 向凝 固试样 清洗 干净 , 放 在 电子探针分析仪上 , 首先 找 到凝 固界面 , 然后再沿界面 向两侧进行定 点分析 . 加速 电 压 巧 . 0 ke V , 激 活 时 间 6 5 , 出 射 角 3 9 . 0 5 。 , 电子 束的面 积 为 3 拌m X 3 拼m , 每隔 3 “ m 测量 一个点 . 2 实验结果 图 1 中的 三 个 试 样 的 凝 固生 长 速 度都是 4 拼m · S 一 ` , 其 中图 1 ( a ) 是 没 有施 加 电场 的 空 白试 样 , 图 1 ( b) 是施 加 30 A 电流 的凝 固试样 , 图 1 ( c ) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2006. 02. 029

Vol.28 No.2 郭发军等：交流电场对定向凝固及界面溶质分配系数的形响 ·125· 是施加50A交流电凝固速度为4m·s1的凝固 细小，总体形貌和经30A交流电场处理后的差不 组织，图1(d)是施加50A交流电凝固速度为10 多，只是更加细小：淬火部分有比较明显的条状分 m·s的凝固组织.从图中可见，空白试样的胞 布的a-A1.图1(d)整个胞晶比较细碎，局部呈现 晶比较粗大，均匀整齐，胞晶的前沿呈圆形，表明 扭曲状，胞晶既不整齐也不规则，每个胞晶的前沿 胞晶的生长过程中受到的干扰比较小，凝固前沿 不光滑，整个凝固前沿也不整齐，由以上的图可 的界面张力的作用比较明显，种种迹象表明，胞晶 以看出，电场不利于胞晶的稳定生长，而且随着生 的生长过程中受到的干扰比较小；淬火的液态部 长速度的增大，胞晶的不稳定性表现得更加突出 分（图中呈现黑色的部分）均匀随机地分布着一些 这也再一次证明了生长速度的增大不利于凝固界 呈团簇状的α一A1.在同样的生长速度条件下，施 面的稳定生长这个传统的结论，并且在施加电场 加30A的交流电后，胞晶变得相对比较细小，而 的情况下，该结论同样成立 且不平直，胞晶也比较短小，分叉比较多，胞晶的 图2是空白试样和经过交流电场处理的试样 前沿比较平直，曲率比较小，可以看出胞晶在生长 界面处溶质Cu的质量分数.从图中可以看出，没 的过程中受到了干扰；淬火的部分，白色的a-A 有经过电场处理的空白试样的凝固界面处的溶质 呈条带分布状态，但条带比较短小，其呈现几个方 质量分数比较高，最高可达19.50%；尤其是在液 向.图1(c)经50A交流电场处理后，胞晶就更加 相侧，溶质质量分数一直比较高，经过交流电场 a 图1不同交流电场对组织的影响.(a)空白试样：(b)30A;(c)凝固速度为4um·g,50A:(d)凝固速度为104m5,50A Fig.1 Solidification structures in AC electric field with different current:(a)structure without treated by electric field;(b)structure treated by 30A:(c)structure treated by 50 A at a solidification rate of 4ums;(d)structure treated by 50A at a solldification rate of 10um's-i

V lo 。 28 N O 。 2 娜发军等 : 交流电场对定向凝固 及界面溶质分配 系数的影响 是施加 50 A 交 流 电凝 固速 度为 4 仁m · S 一 `的 凝 固 组织 , 图 1 ( d) 是 施 加 50 A 交流 电凝 固速度 为 10 拼m · s 一 `的凝 固组织 . 从 图 中可 见 , 空 白试样的胞 晶 比较粗大 , 均匀整 齐 , 胞 晶的前沿呈 圆形 , 表 明 胞晶的生长过 程中受 到 的干 扰 比较 小 , 凝 固前 沿 的界面张 力的作用 比较 明显 , 种种迹象表 明 , 胞 晶 的生长过程中受到 的干 扰 比较 小 ; 淬火 的液态 部 分( 图中呈现 黑色的部分 )均匀 随机地分 布着一些 呈 团簇状的 a 一 iA . 在同样 的生长 速度条件下 , 施 加 3 0 A 的交 流 电后 , 胞 晶变得 相 对 比较 细 小 , 而 且 不平 直 , 胞 晶也 比较短 小 , 分叉 比较 多 , 胞晶的 前 沿 比较平直 , 曲率 比较 小 , 可以 看出胞 晶在生长 的过 程 中受 到 了干 扰 ; 淬火 的部分 , 白 色的 a 一 lA 呈条带分布状 态 , 但条带 比较短 小 , 其 呈现几 个方 向 . 图 1 ( 。 )经 50 A 交流 电场处 理后 , 胞 晶就更加 细 小 , 总体形貌和 经 30 A 交 流 电场 处 理后 的差 不 多 , 只是 更加细 小 ; 淬火 部分有 比较 明显的条状 分 布的 a 一 iA . 图 1 ( d) 整个 胞晶 比较细 碎 , 局部呈 现 扭曲状 , 胞 晶既不 整齐也不规 则 , 每个胞 晶的前沿 不光 滑 , 整 个凝 固前 沿也不 整齐 . 由以上 的 图可 以 看 出 , 电场不利 于胞 晶的稳定 生长 , 而 且随着生 长速度的增大 , 胞晶 的不稳定性表现得 更加 突出 . 这也再一次证 明了 生长速度 的增大不 利于凝 固界 面的稳定生长这个 传统 的结论 , 并且在 施 加 电场 的情况 下 , 该结论 同样成立 . 图 2 是空 白试样 和经过 交流 电场处理 的试样 界 面处溶质 C u 的质量分数 . 从 图中可 以看出 , 没 有经过 电场处理 的空 白试样的凝固界面 处 的溶质 质量分数 比较高 , 最高可达 19 . 50 % ; 尤其是在 液 相侧 , 溶质质 量分数 一直 比较 高 . 经过 交 流 电场 图 1 不同交流电场对组织的影响 . 【。 ) 空 白试样 ; ( b) 30 A ; ( 。 ) 凝固速度为 4 卜m · , 一 ’ , , A ; ( d) 凝固速度为 10 卜m · s 一 ’ , 50 A lF g . I olS 浦n aCt iou s t r u e t ~ i n cA 日e e t r i e fl e , d w i t h d if介 r e n t e ur 即 t : ( a ) s t r cu tur e w 亩 bot u t t aer det by el etC ir e n el d ; ( b ) , utr d 毗 傲 m t曰 勿 3 0 人: ( 。 ) : t r u ct 。 *耐“ 勿 s o A at a sol id in ca t * o n art e 。 r 4 卜m · s 一 ` ; ( d ) s t r u e t o t耐叻 b y s b A a t : sol ld i” ca t lon o t e o f 1 0 卜m · s 一 1

·126· 北京科技大学学报 2006年第2期 处理的试样，其凝固界面处溶质的富集程度比较 系数；T为温度，K;R为气体常数 小，其中30A交流电处理后的试样界面处溶质 从式(1)中可以看出，溶质在固液两相中活度 Cu最大溶质质量分数为15.19%；而经过50A交 系数的变化会引起溶质分配系数的变化.实验中 流电处理的试样的凝固界面处溶质最大质量分数 溶质在固相中的活度很难测量，在此假设在电场 为16.21%.经过30A交流电处理的界面溶质质 的作用下固相中的溶质活度系数不变，那么电场 量分数比经过50A交流电处理的还高，这是由于 作用下组元的平衡溶质分配系数就取决于液相中 测量误差造成的.从凝固界面附近液相中溶质的 的溶质活度系数的变化.在实验中发现，施加电 平均质量分数来看，50A交流电处理后的试样， 场后，液相中溶质的活度系数不同程度地变小，即 其凝固界面附近的液相中的平均溶质质量分数仍 变小，所以品也会相应地变小.减小会使 然是低的.而空白试样的凝固界面附近处液相中 凝固前沿的溶质质量分数增加. 无论是从单个点来看还是从平均值来看，明显比 经过交流电处理后试样的溶质质量分数要高.而 k0=1+ T1+ kVB (2) RTm 在固相端，空白试样和经交流电处理的试样的溶 式中，k。为固相界面曲率为k时的溶质平衡分配 质质量分数相差不大，这可能是由于差别很小，在 系数；k。为当k=0时，溶质平衡分配系数； 探针测量的误差之内，无法准确区分这种差别. kV,B为固相表面存在曲率使固相化学势的增 总的说来，经过交流电处理后的试样凝固界面附 加量，J·mol1;Tm为熔点，K;xs为固相体积分 近液相中的溶质质量分数明显低于空白试样，这 数，% 说明交流电场的存在促进了凝固界面处溶质的 式(2)表示了固相曲率k对溶质平衡分配系 扩散 数的影响.当k=0时，0=k0,曲率半径越小，即 20 界面的曲率k越大，从式(2)式可以看出，此时的 18 一空白 交流30A k0越大.在xs为定值的情况下（达到稳态时）， 16 -4一交流50A 则x工值越小，这就意味着曲率半径小的晶体，其 固液前沿富集起来的液相溶质质量分数要比曲率 8 半径大的晶体小. 8 6 从定向凝固的实验中发现，在没有施加电场 的情况下，凝固胞晶的间距变窄，按道理说胞晶前 2 沿的半球冠部位的曲率半径应该变小，曲率相应 -20-15-10-505101520 距凝固界面的距离μm 地增大，但从实验中发现在施加电场后，胞晶端 图2交流电作用下界面附近溶质的质量分数 部变地不规则，有的仿佛被削平了.总体上说，虽 Fig.2 Solidiflcation interface solute concentration of the sam 然胞晶的间距变小了，但是曲率有减小的趋势， ple treated by AC electric field 根据推导出的式(2)可知，当曲率半径变大，即曲 率变小时，凝固前沿的溶质富集程度增加.在电 3讨论 场的作用下，胞晶前沿的曲率减小，相当于曲率半 平衡溶质分配系数与活度之间的关系[6] 径R增大，这一变化会导致界面前沿液相中的溶 质含量升高.从实验中还发现，施加电场后，凝固 如下： 界面胞晶端部变得不是很光滑，说明界面张力的 awn「：(T)-u:(T)]1 sexp (1) 作用减弱或相对减弱；那么从式(2)可以看出，在 RT 电场的作用下，界面溶质含量会减小；总的来讲， 式中，u0:(T),u⑧：(T)分别为液相和固相中组元 施加电场后kV,B是减小的，故界面溶质含量是 C+g+…+ c 减小的，由于电场的作用是多方面的，所以界面溶 i的标准化学势；F= A1 A2 A1, 质含量的减小，也不单纯是由于kV,的减小造 成的，还有很多因素，最后的效果要看各种效应对 +…十 C A1 A2 Ai 凝固界面前沿的溶质含量的耦合作用而定 A2,…,A;分别为组元1,2，…，i的相对原子 在施加电场的定向凝固的固液界面上，由于 质量；f和氵分别为液相和固相中组元i的活度 电场的一些效应，如电传输效应，尤其在直流电场

0 0 2 2 北 京 科 技 大 学 学 报 ` 年第 期 处理 的试样 , 其 凝 固界面 处 溶 质 的富 集程 度 比较 小 , 其中 30 A 交 流 电 处 理 后 的 试样 界 面 处溶 质 C u 最大溶质 质量分 数为 1 5 . 1 9 % ; 而经过 50 A 交 流 电处理的试样的凝固界 面处溶质最大质量分数 为 16 . 21 % . 经过 30 A 交 流 电处理的 界面溶质质 量分数 比经过 50 A 交 流 电处理 的还 高 , 这 是 由于 测量误 差造成 的 . 从 凝固界面 附近 液相中溶质的 平均质量分数来 看 , 50 A 交 流 电处 理 后 的 试 样 , 其凝 固界 面 附近 的液相 中的平均溶质质量分数仍 然是低 的 . 而空 白试样的凝 固界 面 附近处 液相 中 无论 是从单个 点来看还 是 从平 均 值 来看 , 明显 比 经过 交流 电处理后 试样 的溶质质量 分数要 高 . 而 在固相端 , 空 白试 样 和 经交 流 电处 理 的试 样 的溶 质质量分数 相差不 大 , 这可 能是 由于差别很小 , 在 探针测 量 的误 差 之 内 , 无 法 准 确 区 分这 种 差 别 . 总 的说 来 , 经过 交流 电处 理 后 的试样 凝固界面 附 近液相 中的溶质质 量 分数明显 低于 空 白试 样 , 这 说 明交 流 电场 的存在 促 进 了凝 固界 面 处 溶质的 扩散 系数 ; T 为温度 , K ; R 为气体常数 . 从式 ( 1) 中可以看出 , 溶质在 固液两 相中活度 系数的变化会引起 溶质分配 系数 的变化 . 实验 中 溶质在固相 中的活 度很 难测 量 , 在此 假设 在 电场 的作用下 固相中的溶质活 度系数不 变 , 那么 电场 作用 下组 元的平衡溶质分 配系 数就取决于液相 中 的溶质活度 系数 的变化 . 在实验中发现 , 施 加电 场后 , 液相中溶质 的活度系数不 同程度地变小 , 即 片变 小 , 所 以 场 也 会相 应地 变小 . 场 减 小会 使 凝固前沿的溶质质量分数增 加 . 解 诫v 三 。 一 二 1 + 万一二二二 气才监一一下 铭 l 十 左。 戈。代 l m 以 一 x s ) ok V 竺 。 Ju t 』 J R T m ( 2 ) 20128]14064682 彰妈名求崛攀、 二蜜鸽处月阿味V ” 与厂右万访 一龙厂节一亨不矿能- 方 距凝固界面的距离 小m 图 2 交流电作用下界面附近溶质的质 l 分数 F i g . 2 oS lid i fl c a t l皿 i n t e r af 沈 so l . t e co o c e n t ar t lo n o f t h e s a . n · p l e t彻 宜目 勿 AC e l e c tir c 爪Id 3 讨论 平衡溶 质 分 配 系 数 与 活 度之 间的 关 系6[] 如下 : 片一 广 , L , 甲 、 5 1 甲 、 _ _ _ } 竺鱼上三左二 竺Q墓生」 2 } 工 e x p L R T 一 一 」了 ( 1 ) 式中 , 。 乱( T ) , 。 言 ` ( T )分别为 液相 和 固相 中组 元 A 1 式 中 , 肠 为固相界面 曲率为 k 时的溶质平衡分配 系数 ; k 。 为 当 k 二 0 时 , 溶 质 平 衡 分 配 系 数 ; ak v 氮 , B为 固相 表面 存在 曲 率使 固 相化学 势 的增 加量 , J · m ol 一 ` ; T m 为熔 点 , K ; x s 为 固相 体积 分 数 , % . 式 ( 2) 表示 了 固相 曲率 k 对溶质 平衡 分配 系 数的影 响 . 当 k = 0 时 , 局 二 k 。 , 曲率半径越小 , 即 界 面的 曲率 k 越大 , 从式 ( 2) 式可 以看 出 , 此 时 的 局 越大 . 在 x s 为定值 的情况 下 ( 达 到 稳 态时 ) , 则 x L 值越小 , 这就意味着曲率半径小 的晶体 , 其 固液前沿 富集起 来的液相溶质质量分数要 比曲率 半径大的 晶体小 . 从定 向凝固 的实验中发 现 , 在 没 有施 加 电场 的情况下 , 凝 固胞晶的间距 变窄 , 按道理说胞晶前 沿的半球 冠部 位的曲率半径 应 该变小 , 曲率相应 地增大 . 但从 实验 中发现 在 施 加 电场后 , 胞晶端 部变地 不规则 , 有的仿佛被削平了 . 总体上说 , 虽 然 胞 晶 的 间距 变小了 , 但是 曲率有 减 小的趋 势 . 根据推导 出的式 ( 2) 可知 , 当曲率半径变大 , 即 曲 率变 小时 , 凝 固前沿 的溶 质富集程 度增加 . 在 电 场的作用下 , 胞 晶前沿的曲率减 小 , 相当于 曲率半 径 R 增大 , 这 一变化会 导致界 面前沿 液相中的 溶 质含 量升高 . 从实验中还发现 , 施加 电场后 , 凝 固 界面胞 晶端部 变得 不 是很 光 滑 , 说 明界 面 张 力 的 作用减弱或相对减弱 ;那 么从式 ( 2) 可 以看 出 , 在 电场的作用 下 , 界 面溶质 含量 会减小 ; 总 的来讲 , 施 加 电场后 诫v 氮 . B是减小 的 , 故界 面溶质含量 是 减 小的 , 由于 电场 的作用 是多方 面的 , 所 以界 面溶 质含量 的减小 , 也 不单纯 是 由于 诫 v 氮 , B的减小造 成的 , 还有很多 因素 , 最 后的效果 要看各种效应对 凝 固界面前沿 的溶质含量 的藕合作用而定 . 在施加 电场 的定向凝 固 的固液 界面 上 , 由于 电场的一些 效应 , 如 电传输效应 , 尤其 在直 流电场 针一人 十 +. 的 标 准 化 学 势; F 二 一?c’ 式 + +. A Z , … , A ` 分别为组元 1 , 2 , … , i 的 相对 原子 质量 ; f 专和 广分别为液相 和 固相中组元 * 的活度

Vol.28 No.2 郭发军等：交流电场对定向凝固及界面溶质分配系数的彩响 ·127· 的作用下，溶质会发生定向迁移；同时由于带电原 此处的组分过冷不会使界面稳定性增加，反而使 子团（溶质原子团的电位与溶剂是不同的）在交流 界面的稳定性降低. 电场力的作用下，会发生震荡、破碎，使分散度增 从界面能的角度讲，按常规理论来说，固液界 加等，在这一方面有类似的实验，在电场的作用 面的界面能增大，能够使界面变得稳定，电场使 下，油水乳相中，小水滴会发生变形等)，总之， 凝固界面的界面能增大，但这部分增大的能量恰 电场强化传质主要是通过如下三种途径进行的： 恰是由于电场带来的扰动造成的，是不稳定因素 ①产生小尺寸的振荡液滴，增大了传质表面；②促 的一个标志，所以说对界面的稳定不但没有贡献， 使小尺寸液滴产生内循环，强化分散液滴内的传 而且会使界面能的稳定性下降 质系数；③分散相通过连续相时，由于静电加速作 4 用，提高了界面剪切应力，增强了膜传质系数.正 结论 是由于这些作用，界面前沿的溶质层内的溶质加 (1)交流电场使稳定生长的胞晶变得短小细 快了向液相端内部的传质，使溶质富集层中溶质 碎，电流越大，柱状胞晶就越细碎 质量分数降低 (2)交流电场下，凝固速度越大，胞晶越细 9≤w1 (3) 碎，凝固界面越不稳定 (3)凝固界面处的溶质含量随电流的增大而 式中，m,为液相线斜率，GL为界面前沿液相的 减小 温度梯度，v为凝固前沿推进的速度，DL为溶质 (4)施加电场后，液相中溶质的活度系数不 在液相中的扩散系数，C0为远离界面处液相溶质 同程度地变小，这会使凝固前沿的溶质含量增加， 含量. 使界面的稳定性减小， 当施加电场时，根据实验结果，电场会使溶质 (5)电场使凝固界面的化学势减小，这使界 的活度系数减小，活度系数的减小会使k0减小： 面溶质含量减小，使凝固界面的稳定性增加；交流 由式(3)[8]可知，右边的一项变大，凝固生长的界 电场却使疑固界面的总界面能增加，但这部分增 面稳定性增大.当然这只是从电场的某一方面的 大的能量恰恰是由于电场扰动带来的，是不稳定 作用来说的，不涉及电场对凝固界面的动力学因 因素，这会使界面能的稳定性下降 素的影响 (6)在交流电场力的作用下，界面溶质层会 式(3)在有对流的情况下变为： 发生震荡、破碎，使分散度增加等，破坏界面稳定 GLgmu Co 1-k0 性，这是主要因素.总之在交流电场作用下，凝固 DL ko+(1-ko)exp(-R6/DL) 界面的稳定性变差，柱状胞晶变得细碎. (4) 参考文献 式中，R为凝固速度，6为溶质层厚度 出现组分过冷的倾向大小取决于合金系本身 [1】顾根大.电场作用下金属定向凝固行为的研究[学位论 文]，哈尔滨：哈尔滨工业大学，1989 的物理特性和外界条件.合金系的液相线斜率m [2]Nakada M.Shiohra Y,Flemings M C.Modification of solidi- 越大，原始含量C,越高，溶质在液相的扩散系数 fication structures by pulse electric discharging.ISIJ Int. DL越小，ko越小(k0<1),则组分过冷倾向越大； 1990,30(1):27 另外界面前沿温度梯度GL越小，凝固速度R越 [3]Barnak J P,Sprecher A F,Conrad H.Colony (grain size)re 大，则组分过冷倾向越大.但溶质层厚度6越小， duction in eutectic Pb-Sn casting by electropulsing.Scripta Metall Mater.1995,32(6):879 即对流搅拌越强烈，越不利于出现组分过冷，从 [4]王兰芳.ER液体的液-固转变机理，大学物理实验，1996,9 电场的作用效果看，由于有电传输作用，电场对溶 (2):1 质原子团的震动等作用无疑对凝固前沿的溶质层 [5】孙仁远，沈本善.静电场对水驱油效率的微观实验研究，石 是个巨大的搅动因素.从对溶质层6的影响来 油大学学报：自然科学版，1996,20(3)：45 说，电场的存在削弱了组分过冷，稳定了凝固界 [6]周尧和，胡壮麒.凝固技术.北京：机械工业出版社，1998： 15 面，但这种组分过冷的削弱恰恰是因为扰动、界面 [7]Weatherly L.R.Science and practice of liquid-liquid extrac 的不稳定性带来的，即界面溶质层6的削弱及组 tion.Oxford:Clarendon Press,1992:4073 分过冷的减轻是界面不稳定性的一个结果.所以 [8]余永宁.金属学原理.北京：冶金工业出版杜，2000：249

o V l . 2 8 N o . 邻 发军等 2 : 交流电场对定向凝固 及界面溶质分配 系数的影响 的作用 下 , 溶质会发 生定 向迁移 ; 同时 由于 带电原 子 团 (溶质原子 团的电位与溶剂是 不 同的 )在交 流 电场力的作用 下 , 会发生震 荡 、 破碎 , 使分 散度增 加等 , 在这 一 方 面 有类 似的实验 , 在 电 场的 作 用 下 , 油水乳相 中 , 小 水滴会 发 生 变形 等v[] . 总 之 , 电场强化 传质主要 是通 过 如 下三 种途径进行的 : ①产 生小尺寸的振荡液 滴 , 增大 了传质表 面 ; ② 促 使小尺寸液 滴产 生 内循 环 , 强 化分 散 液滴 内的 传 质 系数 ; ③分散相通过连 续相时 , 由于静 电加速作 用 , 提 高了界 面剪切应力 , 增 强了膜传质系数 , 正 是 由于这些作用 , 界 面前沿 的溶质层 内的溶质加 快 了向液相端 内部的传 质 , 使溶质富集层 中溶质 质量分数降低 . G , _ l m , 1C n l 一 k n 一苏 、 一— v 一 D L k o ( 3 ) 式中 , m L 为液 相 线斜率 , G L 为界 面 前 沿 液相 的 温度 梯度 , v 为凝 固前 沿 推进的速 度 , D L 为 溶质 在液 相中的扩散系数 , c 。 为远离界面 处液 相溶质 含量 . 当施 加电场 时 , 根据实验结果 , 电场会使溶质 的活度系数减小 , 活 度系数的减小会 使 k 。 减 小 ; 由式 ( 3 ) 圈 可知 , 右边 的一项 变大 , 凝 固生 长 的界 面稳定性增大 . 当然这 只是从 电场的某一方 面 的 作用来说 的 , 不涉 及 电场对 凝 固界 面 的动 力 学 因 素 的影 响 . 式 ( 3) 在有对 流的情 况下变为 : {m L IC o D L 1 一 k o k o + ( 1 一 走。 ) e x p ( 一 R 占/ D L ) 此 处的组分过 冷 不会 使界 面稳 定性增 加 , 反 而使 界 面的稳定性降低 . 从界 面能的 角度讲 , 按常规理 论来说 , 固液界 面 的界面 能 增大 , 能 够 使界 面 变得 稳定 . 电场 使 凝固界面 的界 面能 增大 , 但 这 部 分增 大 的 能量 恰 恰是 由于 电场带来的扰动造 成的 , 是 不 稳定 因素 的一个 标志 , 所以说对 界面的稳 定不但没有贡 献 , 而且会 使界面 能的稳定 性下 降 . 4 结论 ( l) 交流 电场使稳 定生长 的胞晶变得短 小细 碎 , 电流越大 , 柱状胞 晶就越 细碎 . ( 2) 交 流 电场 下 , 凝固速 度越大 , 胞 晶 越 细 碎 , 凝 固界 面越 不稳定 . ( 3) 凝固界面处 的溶质含 量 随 电流的增 大 而 减小 . ( 4) 施 加 电场 后 , 液 相中溶质的 活度系 数 不 同程 度地变小 , 这会使 凝固前沿的溶 质含量增 加 , 使界 面的稳 定性减 小 . ( 5) 电场 使凝 固界 面 的 化学 势 减小 , 这 使界 面溶质含量 减小 , 使凝 固界 面的稳 定性增加 ; 交流 电场却使凝 固界 面 的总 界面 能 增 加 , 但这 部分增 大的能量恰恰是 由于 电场 扰动带来的 , 是 不 稳 定 因素 , 这 会使界面 能的稳 定性下 降 . ( 6) 在交 流 电场 力 的作 用 下 , 界 面溶质层 会 发 生 震荡 、 破碎 , 使分散 度增加 等 , 破坏 界面 稳 定 性 , 这是主要 因素 . 总之在 交流 电场作用下 , 凝 固 界面 的稳 定性变差 , 柱状胞 晶变得 细碎 鱼簇 . 刀 ( 4 ) 式中 , R 为凝 固速度 , 占 为溶质层厚度 . 出现组 分过冷的倾向大小取决 于合金 系本身 的物理 特性和外 界条件 . 合金 系的液相 线斜率 m 越大 , 原 始含量 C 。 越高 , 溶质在液 相 的扩散 系数 D L 越 小 , k 。 越小 ( k 。 < 1) , 则组分过 冷倾 向越大 ; 另外界面前沿 温度梯 度 G L 越 小 , 凝 固速 度 尺 越 大 , 则组分过冷倾向越大 . 但溶 质层厚 度 占越小 , 即对 流搅 拌越 强 烈 , 越不 利于 出现 组分 过 冷 . 从 电场的作用效果 看 , 由于有电传输作用 , 电场对溶 质原子 团的震 动等作用无疑对 凝固前沿 的溶质层 是个 巨 大的搅动 因素 . 从对 溶质层 占 的影 响 来 说 , 电场的存在 削 弱 了 组分 过 冷 , 稳定 了凝 固界 面 , 但这种 组分过冷 的削弱恰 恰是 因为扰动 、 界面 的不稳定性带 来的 , 即 界面 溶质层 占 的削 弱及 组 分过冷的减 轻是界面 不稳 定性的一个结果 . 所 以 参 考 文 献 川 顾 根大 . 电场作 用下 金属 定 向凝 固行 为的研 究 [学位 论 文〕 . 哈尔滨 : 哈尔滨 工业大学 , 1 9 89 [ 2 〕 N a ak d a M , S h i o h r a Y , F l e m i n g s M e ` M o d ifi e a t ion of osl idi - f i e a t ion st r u e t u r e s b y p ul s e e l e e t r i e d i s e h a r g i n g . I S U I n t , 19 9 0 , 3 0 ( 1 ) : 2 7 [ 3 〕 B a r n a k J p , S p r e e h e r A F , oC nr a d H . oC l o n y ( g r ia n s 坛e ) r e - d u e t i on i n e u t e e t i c P b 一 S n e as t i n 召 b y e l e e t or p u l si n g , cS ir l,t a M e t al l M a t e r , 1 9 9 5 , 3 2 ( 6 ) : 87 9 「4 】 王兰芳 . E R 液体 的液 一 固转变机理 . 大学物理实验 , 19 % , 9 ( 2 ) : l 〔5] 孙仁远 . 沈本善 . 静电场对水驱油效率的微观实验研究 . 石 油大学学报 : 自然科学版 , 1 9% . 2 0( 3) : 45 仁6] 周尧和 , 胡壮麒 . 凝 固技术 . 北 京 : 机 械工业 出版社 , 1 9 98 : 15 [ 7 了 We a t h e r ly L R . S e i e n e e a n d p ar e t i e e Of Iiq u id 一 I iq u id e x t r ac - t io n . O x f o r d : C lar e n d o n P r e s , 1 9 92 : 4 0 7 3 【8] 余永宁 . 金属学原理 . 北京 : 冶金工业出版社 , 20 0 : 2 49

·128· 北京科技大学学报 2006年第2期 Effect of AC field on directional solidification and interface solute coefficient of distribution GUO Fajun,LU Qiaotong,LI Lingzhen,ZONG Yanbing,CANG Daqiang Metallurgical and Ecological Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing China,100083 ABSTRACT Directional solidification structure was studied under Alternating Current(AC)process.The result indicated that AC field had a refining effect on solidification structure,the effect became more obvious at a higher current,and AC field reduced the solute concentration at solidification interface.Analysis of all field effects showed that interface stability increased with the reduction of interface chemical potential,but interface layer attenuated and interface stability reduced in the situation of increased interface energy,small activity coefficient and oscillation at interface solute,accordingly the stability of cystiform crystals was re- strained and columnar cystiform crystals turned refined ones. KEY WORDS AC field;directional solidification structure;interface solute concentration;interface sta- bility;grain refining

1 2 8 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 06 年第 2 期 E f f e e t o f A C f i e l d o n di r e e t i o n a l s o li d if i e a t i o n a n d i n t e r f a e e s o l u t e e o e f fi e i e n t o f d i s t r ib u t i o n G U〔) 爪护u n , L U Q i a o t o n g , L l L i n g z h e n , Z O N G aY n b i n g , C A N G aD g i a n g M e t al u r g l e al a n d E e o log i e al E n g i n e e mr g cS h o l , U n i v e rs i t y o f cS i cen e an d T e e h n o l眼丫 Be ij i n g , Be ij i吃 C h i n a , 10 0 0 8 3 A B S T R A C T D i r e e t i o n a l os lid if i e a t i o n s t r u e t u re w a s s t u d i e d u n d e r iA t e rn a t i飞 uC r r e n t ( A C ) p or e e s . T h e r e s u l t i n d i e a t e d t h a t A C fi e ld h a d a r e f i n i吃 e ff e e t o n s o lid i fi e a t i o n s t r u e t u re , t h e e ffe e t b e e a m e mo er o b v i o u s a t a h ig h e r e u r e n t , a n d A C fi e ld r e d u e e d t h e so l u t e e o n e e n t r a t i o n a t s ol i d if i e a t i o n i n t e 讨a e e . A 」l a l y s i s o f a ll fi e ld e ft e e t s s h o w e d t h a t in t e fr a e e s t a b ili t y i n e r e a s e d w i t h t h e r e d u e t i o n o f i n t e r f a e e e h e m i e a l p o t e n t i a l , b u t i n t e讨a e e l a y e r a t t e n u a t e d a n d i n t e r af e e s t a b i li t y r e d u e e d i n t h e s i t u a t i o n o f i n e r e ase d i n t e r f a e e e n e 塔y , s m a ll a e t i v i t y e o e ff i e i e n t a n d o s e i ll a t i o n a t i n t e r f a e e s o l u t e , a e e o r d i眼l y t h e s t a b i li t y o f e y s t ifo mr e r y s t a l s w a s r e - s t r a i n e d a n d e o l u m n a r e y s t i fo mr e r y s t a l s t u rn e d r e f i n e d o n e s . K E Y WO R D S A C fi e l d ; d i r e e t i o n a l so li d i fi e a t i o n s t r u e t u er ; i n t e 汀a e e so l u t e co n e e n t r a t i o n ; i n t e r f a e e s t a - b i li t y ; g r a i n r e f i n i吃