亚快速凝固枝胞的转变

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1993.06.001 第15卷第6期 北京科技大学学报 Vol.15 No.6 199312 Joumnal of University of Science and Technology Beijing Dec.1993 亚快速凝固枝胞的转变+ 蒋成保*胡汉起* 摘要：采用区域熔化定向凝固技术，研究了冷速在26一130K/s范围内Ni一5%Cu合金的 组织转变过程。试验结果表明：在温度梯度1300K/cm情况下，生长速度在500~700μms区 间上，结晶形貌发生枝胞转变。温度梯度对亚快速凝固组织影响很大。品体生长方向影响结晶形 态选择。 关键词：凝固，结品形貌，枝胞转变，晶体生长方向 中图分类号：TG244·3 Research of the Transition from Dendrite to Superfine Cell in Hyporapid Solidification Jiang Chengbao Hu Hangi* ABSTRACT:The microstructure transition prooess of Ni-5%Cu alloy is researched in the range of 2.6-130K/s cooling rate with zone melting unidirectional solidification technique.It is indicated that the solidified morphology transits from dendrite to superfine cell within the limitids of the crystal growth velocity 500-700um/s.The temperature gradient has a great ef- fect on the microstructure in hyporapid solidification.The crystal growth orientation is an im- portant factor to the selection on the solidified microstructure. KEY WORDS:s olidification,solidified microstructure dendrite-superfine cell transition,crystal growth orientation 亚快速凝固是指冷却速度在10'~104K/s范围内液态金属的结晶过程。据文献[1,2]报道， 随冷却速度提高，凝固组织发生树枝晶向细胞晶转化。由成分过冷判据]和胞枝转变判据) 分别建立了低生长速度凝固条件下，平面晶向胞状晶转变和胞状晶向树枝晶转变的临界转变 判据。但是，在亚快速凝固条件下，树枝晶向细胞晶转变的临界转变判据尚未建立。亚快速凝 固获得的超细柱晶，由于其优异的磁学性能与力学性能，日益引起材料科学工作者的重视。 本文采用可独立控制凝固工艺参数的亚快速定向凝固技术，研究亚快速凝固枝胞转变的影响 1993-06-10收稿第一作者：男，25岁，博士 十国家教委博士点基金资助项目 *冶金系(Depanment of Metallurgy)

第 15 卷 第 6 期 1 9 3 年 U 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Jo u 〔n a l o f U ni v ’ e巧 iyt o f S c l e n 优 a nd T ec h n o l o gy B jie ing V o l . 1 5 N O 。 6 】) 絮 1 9 9 3 亚快速凝 固枝胞的转 变 + 蒋成保 ’ 胡 汉 起 节 摘要 : 采用 区域熔 化定向凝固技术 , 研究了冷 速在 26 一 130 K / s 范围 内 iN 一 5 % c u 合金的 组织转变过程 。 试验结果表 明: 在温度梯度 1 3以) K Z c m 情况下 , 生 长速度在 5仍 一 7 X(] 户m s/ 区 间上 , 结晶形貌发生枝 胞转 变 。 温度梯度对亚快速 凝固 组织影 响很大 。 晶体生长方 向影 响结晶形 态选择 。 关键 词: 凝 固 , 结 晶形貌 , 枝胞转变 , 晶体生 长方 向 中 图 分类号 : T G 24 .4 3 R es e a r e h o f t he T ar ns iti o n f r o m L 兄n d ir te ot S u pe r if n e C el l i n yH P o r a p id S o lid iif ca t i o n + iJ a 叼 C h e ” g b a o * 月“ 万“ 刀 q i * A B S T R AC T : hT e n 卫c r o s tru c t u re ’atI ns itO n P or 璐 5 o f iN 一 5 % C u a l o y is 叮万e 刁r ch de i n t h e m n ge o f 2 . 6一 13 0K s/ co o l ign ar te iw t h 二 n e me lt i n g u n id l代tC lo an l s o idl iif ca t i o n t eC h n iq u e . It 15 idn ica dte t h a t hte os lid 访de om rp h o l o gy 加ns its ofr m d e n d irte 10 s u P e irf n e elC iw t h i n the U而t id s o f t h e a 澎s at l g or wt h ve l o d t y sX() 一 7 0() # m s/ . hT e t e m P娜t u re g 服d ien t h as a g心t -ef 丘℃ t o n ht e 而cor s trU ct u re i n h y P o ar P id 50 姐iif 兑t i o n . hT e c ry s at l g m wt h o ne at t io n 15 a n 而 - p o art nt af cot r ot t he s e l已沈i o n o n t he os idl iif de 而 cor st ru tC ure , K E Y WO R 】万 : s iol di if 以ito n , so idl iif de 而cor st rU Ct u er ,d e dn ir 沈 一 su p e币 n e 以川 xat sn i iot n , c yr s alt g or wt h o n e n at t i o n 亚 快速 凝固 是指 冷却 速 度在 10 `一 10 4 K / s 范 围内液态金 属的结晶过程 。 据文 献 【1 , 2] 报道 , 随冷却速度 提高 , 凝固组织 发生树枝晶 向细 胞 晶转 化 。 由成 分过 冷判 据 〔’ l 和胞枝转变判据1 4 ] 分别 建 立 了低生 长速度凝固条件 下 , 平 面晶 向胞 状 晶转变 和胞状晶 向树枝晶转 变 的临 界转变 封据 。 但是 , 在亚快速凝 固条件下 , 树枝 晶 向细胞晶 转变 的临界转 变判 据 尚未 建立 。 亚快速凝 固获得 的超细柱 晶 , 由于 其优异 的磁学性 能 与力 学性 能 , 日益 引起材 料科 学 工 作 者 的重 视 。 本 文采 用可 独立控 制凝固工艺参数 的亚快速 定 向凝 固技 术 , 研究 亚快 速凝固枝 胞转 变 的影响 19 9 3 一 0 6 一 10 收稿 第 一 作者: 男 , 25 岁 , 博士 十 国 家教委博士点基金资助项 目 * 冶金系 ( 块P a n lr 目吐 of M e alt 试别 ) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1993. 06. 001

.544 北京科技大学学报 1993年No.6 因素，探讨其转变机制，为建立枝胞转变判据奠定基础。 1实验方法 母材Ni一5%Cu合金经真空感应炉熔炼，在氯气保护下，铸成Φ6.4mm的试样，在 区熔定向凝固炉上，凝固成Φ7.0mm的试样。定向凝固晶体生长速度在20~1200um/s范 围内调节，通过改变高频输入功率，控制合金液的过热度来调节温度梯度。微区成分用 CAMBRIDGE STEREOSCAN250MKZ型扫描电镜能谱仪定量测定。用JF1型X射线晶体 分析仪测定晶体生长方向。 2实验结果与分析 2.1由树枝晶向细胞晶转变 在保持温度梯度G=1300K/cm基本不变的条件下，随着生长速度的提高，结晶形貌发 生从平面晶、到粗胞状晶、树枝晶和细胞状晶4个阶段的转变，见图1所示。晶体生长速度 在500ums至700ms区间上，发生树枝晶向细胞晶转变时，由图2可知，在发生树枝晶向 细胞晶转变时，一部分区域先转变，另一部分仍有萎缩的二次枝晶臂存在。并且，树枝晶向 细胞晶转化时，一次臂间距有突然诚小的趋势，图2中右边部分细胞晶间距是21m,左边部 分树枝晶的-一次臂间距是33um。这点和低生长速度下，从粗胞晶向树枝晶转变时，一次臂 间距突然增大相对应5)。 2.2.温度梯度对结晶形貌的影响 生长速度V=800ums固定不变，G=500K/cm时，以树枝晶生长，见图3(a)所示； 2504m 200n 50m 图1结晶形貌随生长速度的变化 (a)平面晶V=20um/s (b)胞状晶V=1204m/s (c)树枝晶V=300um/s (d)细胞晶V=700um/s Fig.1 The transition of the solidified microstructure with the increase of the crystal growth vclocity G=1300K/cm时，完全转变成以细胞晶生长，如图3(b)所示。说明亚快速凝固条件下，温度 梯度对结晶形貌影响显著。这一实验现象表明：温度梯度对快速凝固结晶形态选择的作用可以

· 54 4 · 北 京 科 技 大 学 学 报 因素 , 探讨其转 变机 制 , 为建立枝胞 转 变判 据奠定 基础 。 1 993 年 N 6 . 6 1 实验方法 母 材 N i 一 5 % C u 合 金 经 真 空感 应 炉 熔 炼 , 在 氢 气 保 护 下 , 铸成 中 6 . 4 1r m 〕 的试样 , 在 区 熔 定 向凝固炉 上 , 凝 固成 中 7.o m m 的试样 。 定 向凝 固 晶体 生 长速 度 在 20 一 1 2 0 召m / s 范 围 内 调节 , 通 过 改 变 高 频 输 人 功 率 , 控 制 合金 液 的过 热 度 来调 节 温 度 梯 度 。 微 区 成 分 用 C A M B R ID G E S T E R E O S C A N . 25 OM K Z 型扫描 电镜能谱仪 定量测定 。 用 FJ I 型 X 射 线 晶 体 分析 仪测定 晶体 生长 方 向 。 2 实验结果 与分析 2 . 1 由树枝 晶向细胞晶转变 在保持温度 梯度 G L 二 1 30 K /ctn 基 本不 变的条件下 , 随着生 长速 度 的提高 , 结 晶形 貌发 生从平面 晶 、 到 粗胞 状 晶 、 树 枝 晶和细 胞状 晶 4 个阶段 的转 变 , 见 图 1 所示 。 晶体生 长速 度 在 50 0 1尤m s/ 至 7 0 1逮m 阳区 间上 , 发生 树枝 晶 向细胞 晶转变 时 , 由图 2 可知 , 在 发 生 树 枝 晶 向 细胞 晶转变 时 , 一 部分区 域先 转 变 , 另 一部分仍有 萎缩 的二 次枝 晶 臂 存 在 。 并 且 , 树枝 晶 向 细胞 晶转 化 时 , 一次 臂 间距有 突然减 小 的趋 势 , 图 2 中右边部分细 胞 晶间距是 21 拼m , 左 边 部 分树 枝晶 的一 次臂 间距 是 3 月m 。 这 点和 低生 长速度 下 , 从粗胞 晶 向树 枝 晶转变 时 , 一 次 臂 间距 突然 增大相对应 [ ’ } 。 2 . 2 . 温度梯度对结 晶形貌 的影 响 生 长 速 度 V = 80 0 娜 m / s 固 定 不 变 , G , 二 s o K /cnI 时 , 以 树 枝 晶 生 长 , 见 图 3 ( a) 所 示 ; 图 1 结 晶形貌随生长速度的变化 ( a ) 平面晶 F = 2 0 召 m / s ( b ) 胞 状晶 F = 1 2 0 拜m / s ( e ) 树枝晶 V 二 3的 拼 m l s ( d ) 细胞晶 V = 7 0伽m l s iF .g 1 hT e 。习n 崩on of ht e so 石d访ed m i c 双,动n 皿 tCU er 初ht ht e in ~ of 山 e c职阔 脚 w ht v咖d yt G L二 1 30 O K c/ m 时 , 完全 转 变成 以 细胞 晶生 长 , 如 图 3 (b )所示 。 说明亚快 速凝固条件下 , 温度 梯度对结晶形貌影 响显著 。 这一实验现象表明 : 温度梯度对 快速 凝固结 晶形 态 选 择 的作 用可 以

Vol.15 No.6 蒋成保等：亚快速凝固枝胞的转变 ·545 忽略[的说法是片面的 2.3晶体生长方向对枝胞转变的影响 图4是G=1300K/cm,V=500um/s 试样的金相照片。图中左边部分以细胞晶生 长，右边部分以树枝晶生长，实测得细胞晶 生长的取向是<120>，树枝晶生长的取向是 <100>。图5是G=1300Kfcm,V=700um/s 试样的金相照片。图中所示，1个晶粒内部有 不同取向的两个分枝，其中，树枝晶和细胞 晶形态共同存在。 50m 2.4不同结晶形貌的偏析和有效溶质的再分 配。 图2树枝晶向细胞晶转变 用能谱仪对不同结晶形貌的典型组织进 Fig.2 The transition from dendrite to superfine cell, 行微区的成分分析，结果见表1所示。 V=500m/s 50um 图3温度梯度对结晶形貌的影响 (a)树枝晶生长G=500K/cm (b)细胞晶生长G=1300K/m Fig.3 The effect of temperature gradient with V=800 mm/s 表1不同结晶形貌的偏析比和有效溶质再分配系数 Table 1 The segregation ratio and the effective solute redistribution coefficient of different microstructure V (um/s) Cm4,% C,% 偏析比 e 结品形貌 20 5.00 4.76 L.05 0.975 平面晶 120 5.13 4.58 1.12 0.939 粗胞品 300 5.73 4.22 L.36 0.865 树枝晶 500 5.05 463 1.09 0.948 枝胞共存 700 4.96 4.78 1.04 0.980 枝胞共存 800 5.13 4.75 1.08 0.973 细胞 1000 5.15 4.68 1.10 0.960 细胞 1200 5.14 4.72 1.09 0.968 细胞

认刃 . 少多N d . 石 蒋成保等 : 亚快速凝固 枝胞的 转变 忽 略 [ 4 }的说法是 片 面的 。 2 . 3 晶体生长 方 向对枝胞转变的影 响 图 4 是 认 二 1 3o 0 K / e m , V = 5 0 0 # m / s 试 样 的金 相 照片 。 图中左边 部分 以细 胞晶生 长 , 右边 部 分 以树枝 晶生 长 。 实测得 细胞 晶 生 长 的取 向是 < 120 > , 树枝 晶生 长 的取 向是 < 10 0 > 。 图 5是 G L = 1 30 0 K /cm , V = 7 0 0 拜m / s 试样 的金相 照片 。 图中所示 , l 个晶粒 内部有 不 同取 向的两个分枝 , 其 中 , 树 枝 晶和细 胞 晶形态共 同存 在 。 2 . 4 不 同结晶 形貌 的偏析和有 效溶质的再分 配 。 用能谱仪对 不同结 晶形 貌的典型 组织进 行 微区 的成 分分析 , 结 果见 表 l 所示 。 图 2 树枝晶向细胞晶转 变 瑰 . 2 1 1犯 。 , 画柱叨 丘. 阶 血改州抚 ot 即 ep 币说 伙 n , V = 5 0 0 召m / s 图 3 温度梯度对结晶形貌的影响 ( a) 树枝晶生长 G L = 夕刃 K /助 ( b) 细胞 晶生长 GL = 1 3以) K / an #iF . 3 1触 闭晚t of 如 l ep m ot 代 脚山印t 初ht V = g 刃 娜 / s 表 1 不 同 结 晶 形貌 的 偏析 比 和有效 溶质再分 配 系数 T a b l e 1 T h e s eg r eg a tio n ar it o a n d ht e e n ’c d iv e s o lu 七 几 d i盗r 汤 u it o n 以犯伍d 即t F ( 林m / s ) C m a 、 , % of 山丘廿曰吐 m 允m s 廿u C加 比 C 田如 , % 偏 析 比 K E 结 晶形貌 ù ō黯溅 9377586940 口n 气 0 à勺二 0 J.1 : 一 l “nn ó U 八Cù 0 0948361009 1 . . , 11 百1. . 1 1. 4 76582378 片月冲泥月 05%137 ù、 à`JfL ùé亡内 乃 4 ù气 020 `, :乡夕功印l 4 é只 4 勺. 1, 月几 : 亡JLI 口 1 0 0 0 1 2 0 U

.546 北京科技大学学报 1993年No.6 50m 50um. 图51个具有内部取向不同，结晶形貌 图4晶体生长方向决定结晶形貌 不同的晶粒 Fig.4 Crystal growth orientation decides the solidified Fig.5 A grain with different microstructrure due to the different soliSdified direction, microstnucture with G =1300K /cm,V=500 an /s G=1300K/cm,V=700m/s 3讨论 3.1冷却速度和动力学过冷度的关系 冷速在10Ks数量级以下的凝固过程，可近似看成是可逆降温过程，固液界面局域平 衡。此时，晶体生长的动力学过冷度△T,很小，小于1K可。对于亚快速凝固条件下，冷速 在10'-10K/S.凝固过程用局域平衡理论不能解释枝胞转变现象和此时的温度梯度对形态 选择的影响。因此，先分析亚快速凝固条件下，冷却速度对△T,的影响，然后用非平衡凝 固理论探讨枝胞转变机制。 界面过冷度△T,是由溶质再分配引起的过冷度△T。、界面曲率过冷度△T,和动力学生长 过冷度△T,等3部分组成，即： △T,=△T,+△T,+△T (1) 其中△T,和△T可用局域平衡理论讨论，非平衡凝固虽然对△T。和△T有影响，但更 主要表现在对△T,的影响上。非平衡凝固过程中，焓变△H和熵变△S都是状态函数，与过 程无关，只有热量的放出Q是非状态函数。设△E为凝固后晶格储存能 △E=△Hm-TN△Sm-Q (2) 式中，T、:为非平衡凝固点温度。 这样，△E将随不可逆降温过程放出热量Q的减少及T、的降低而增大。因而，由亚快 速凝固的不可逆降温所储存的液态金属空位能，转化为凝固后的晶格存能就多。非平衡凝固 的自由能△G由局域平衡凝固△G,和晶格储存能△E组成： △G总=△Go+△E (3) △Ga=△Hm/Tm·△Tk=△Hm-T△Sm (4) △G。=△Hm-TN'ASm (5)

54 6 北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 3 年 N o . 6 图 4 晶体生 长方 向决定结晶形貌 瑰 . 4 C ry 血1 g ro 浦 1 o ri 即加柱皿 山沈id 路 阮 即肠面五司 m i c r说曲IC to 代 初th q = 1 引. IK / 。 , V 一 义用 四 / s 图 5 1个具有 内部取向不同 , 结晶形貌 不同的晶粒 F电 . S A 脚i n 币山 J 价比n t n 云c r说翻哎加 I比 d ue ot ht e j 伍袋n 吸 , 心别防司 山 m币加飞 q = 1 30 K / cnI , V = 7以) 不红n / s 3 讨 论 3 . 1 冷却速 度和动 力 学过冷度 的关 系 冷 速在 10 K / s 数量 级 以 下 的凝 固过 程 , 可近 似看 成 是 可逆 降 温 过 程 , 固液 界 面局 域 平 衡 。 此 时 , 晶体生 长 的动力 学 过 冷 度 A T k 很 小 , 小 于 I K 〔 7 〕 。 对 于 亚 快 速凝 固条 件下 , 冷 速 在 10 ’ 一 10 4 K / s, 凝 固过 程用 局域平 衡理 论不 能解 释枝 胞转 变现 象和此 时的温度 梯 度 对形 态 选 择 的影 响 。 因此 , 先 分析亚快 速凝 固条 件 下 , 冷 却 速 度 对 △T 、 的影 响 , 然 后 用非 平 衡 凝 固理 论探 讨枝 胞转变机 制 。 界 面 过冷 度 △不是 由溶质再 分配 引起 的过 冷度 △ 0T 、 界 面 曲率过 冷 度 △砚 和 动力 学 生 长 过冷 度 八双等 3 部 分组 成 , 即 : A双= △ 0T + A rT 十 △双 ( l) 其中 △ 0T 和 A rT 可 用局域 平衡理 论 讨论 , 非 平衡 凝 固 虽然 对 △ 0T 和 △ rT 有 影 响 , 但 更 主要表 现 在对 八 双 的影 响上 。 非平 衡凝 固过 程 中 , 烩 变 A H 和 嫡变 A S 都是 状态 函数 , 与过 程无 关 , 只有热 量 的放 出 Q 是 非状 态 函数 。 设 △ E 为凝固后 晶格储存 能 △ E = A mH 一 珠 A mS 一 Q ( 2 ) 式 中 , 几 : 为 非平衡凝 固点温 度 。 这样 , △E 将 随不可 逆 降 温过程放 出热量 Q 的减 少及 几 的 降 低 而 增 大 。 因 而 , 由亚 快 速凝 固 的不可逆 降温 所储存 的液态金 属空 位能 , 转 化 为凝 固后 的晶格存能 就多 。 非 平衡 凝 固 的 自由能 △G 总 由局 域平 衡凝 固 △G 。 和晶格 储存能 △E 组成 : △ G 总 = △ G 。 + △ E ( 3 ) △ G 总 一 △氏 / mT · △ 双 = △ 氏一 几 △ S m ( 4 ) △G 。 = A mH 一 殊 , △ mS ( 5)

Vol.15 No.6 蒋成保等：亚快速凝固枝胞的转变 547· 式中，T'、:为可逆降温过程、生长动力学要求的凝固点温度。对于极稀溶液，TN接 近Tm。所以，令T=Tm,将式(4)和式（5)代人式(3)整理得： △E=△Sm·△Tk (6) 由此可见：亚快速凝固的动力学过冷度△T,随△E的增加而增大。由公式(2)可知， △T,将随非平衡凝固温度的降低及潜热释放的减少而增大，即随冷却速度的增大而增大。 3.2非平衡凝固条件下的溶质截留和扩散系数减小对结晶形态选择的影响 从表1中看到：由于非平衡凝固，从树枝晶到胞状晶转变时，有效溶质再分配系数K 从0.865增加到0.948，趋向于1，溶质截留现象增强。 由于亚快速凝固的动力学过冷度△T较大，液相中溶质的扩散系数D是温度的指数函数，随着T、 的降低，D呈指数下降，扩散减弱。另外，由于冷却速度较大，界面粗糙度增加，沿界面的扩散减弱。 界面外溶质截留，使界面前沿溶质盒集程度减小，成分过冷度下降。溶质扩散减弱，使 成分过冷区长度缩短。因而，树枝晶一次臂端部和二次臂端部的突出部分不能优先快速生 长，造成二次臂萎缩，最终由树枝晶演变成细胞晶组织。 3.3晶体生长方向对结晶形态选择的影响 当固相以不同的晶向生长时，固液界面以不同晶面包覆，从而造成不同的界面能。以 <100>方向生长时，(111)面向前推进，比界面能最低。当晶体生长方向是<120>时， 其比界面能较前者为高。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 学理论的判据式为： So)=-Trw-号g+g)tm6, -(5) (7) V 0*-(D1-K) (8) 式中：σ：固一液界面的比界面能 H:单位体积溶剂的结晶潜热 四：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σ。所以，S(@) <S(@)。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；晶体以<100>方向生长，界面失稳，出现了二次枝晶臂，按树枝晶方式生长，如图4 所示。 4结论 (1)晶体生长速度V温度梯度G,和晶体生长方向都对Ni一5%Cu合金亚快速凝固枝 胞转变过程发生影响。 (2)温度梯度G1=1300K/cm情况下，在晶体生长速度V=500-700m/s范围内发生 树枝晶向细胞晶转变。 (3)晶体生长速度V=800m/s条件下，当温度梯度G,=500K/cm时，以树枝晶方式

Vo l . 巧 No . 6 蒋成保 等 : 亚快 速凝 固枝 胞的 转变 · 4 7 5 · 式 中 , 洲 N : 为可 逆 降温 过 程 , 生 长动力 学要求 的凝 固 点 温 度 。 对 于极 稀溶 液 , T 石接 近 mT 。 所 以 , 令 T 礼“ mT , 将式 ( 4) 和式 ( 5) 代 人式 ( 3) 整 理得 : △ E 二 A mS · △ 兀 ( 6) 由此可见 : 亚快 速凝固 的动力 学 过冷度 A kT 随 △ E 的增 加 而增 大 。 由公 式 ( 2) 可知 , △ 双将 随 非平 衡凝 固温度 的 降低 及潜热释 放的减 少而增 大 , 即 随冷却速 度 的增大 而增 大 。 3 . 2 非平衡凝固条件下的 溶质截留和扩 散 系数减小对 结晶形态选择的影响 从 表 1 中看到 : 由于非 平衡凝 固 , 从树枝 晶到 胞 状 晶转变 时 , 有 效 溶 质再 分 配系 数 凡 从 0 . 8 65 增 加到 0 . 9 48 , 趋 向于 1 , 溶质 截 留现 象增 强 。 由于亚快 速凝固的动力学过冷度 △双较大 , 液相中溶质 的扩散系数eD 是温度的指数函数 , 随着 几 的降低 , cD 呈指 数下 降 , 扩散减弱 。 另外 , 由于冷却 速度较大 , 界面粗糙度增加 , 沿界面的 扩散减弱 。 界面外 溶 质截 留 , 使 界 面前沿 溶 质富集 程度 减小 , 成 分过 冷 度下降 。 溶 质扩 散减弱 , 使 成分过 冷 区 长 度缩 短 。 因 而 , 树 枝 晶一次 臂端部 和 二 次 臂 端部 的 突 出部分 不 能 优 先 快 速 生 长 , 造 成二 次臂萎 缩 , 最终 由树枝 晶演 变成 细胞晶组 织 。 3 . 3 晶体生长 方向 对结 晶形态 选择 的影 响 当固相 以 不同 的晶 向生长 时 , 固液 界 面以 不 同晶 面 包覆 , 从 而造 成 不 同 的 界 面 能 。 以 < 10 > 方 向生长 时 , ( 1 1 1) 面 向前推进 , 比界 面能 最 低 。 当晶 体 生 长 方 向是 < 120 > 时 , 其 比界 面能 较前 者 为高 。 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 据式 为 : 、 ( 。 )一 几 r 。 , 一 粤匆 / 十 。 ) 十 。 G 。 乙 , , V 、 砚口 . 一 ! — , 、 D 口 一 (合 ) ( l 一 0K ) ( 7 ) r 二 李H ( 8 ) 式 中: 民 固 一 液 界 面 的 比界 面 能 H : 单 位 体积溶 剂 的结 晶潜热 . : 干扰波 频 率 以 < 12 0 > 方 向生长 的 比 界 面能 。 、 大 于 以 < 10 > 方 向生 长的 比 界 面能 几 。 所 以 , s (。 : ) < S (。 J 。 结 果 是 晶体 以 < 12 0 > 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 < 10 > 方 向生长 , 界 面失 稳 , 出现 了二 次枝 晶臂 , 按树 枝晶 方 式 生 长 , 如 图 4 所示 。 4 结 论 ( l) 晶 体生 长速度 U 温 度梯 度 G 。 和 晶体生长方 向都 对 iN 一 5 % C u 合金亚快 速凝固枝 胞 转变过 程 发生影 响 。 ( 2) 温度梯度 G L 二 1 30 K /cm 情况 下 , 在 晶体生 长速 度 V 二 5 0 一 70 召m / s 范 围 内发 生 树枝 晶 向细胞 晶转 变 。 ( 3) 晶体 生长速 度 V 二 s o J之m 厂 s 条 件下 , 当温度 梯度 G L “ s o K /cm 时 , 以 树枝晶 方式