强磁场对丁二腈定向生长形貌的影响

李晨笛，张嘉伟，刘凤国，娄长胜

(沈阳理工大学 材料科学与工程， 沈阳 110159)

定向凝固组织是非常规则的，有助于准确测量其形态和尺寸特征，在定向凝固不断发展的过程中，强度、蠕变性和持久性、热疲劳性等各方面性能均能得到完善[1]。在强磁场下进行定向凝固，可改变金属材料取向及熔体流动，使金属材料的组织和材料性能得到改善[2]。试验选用模拟金属丁二腈作为研究对象，丁二腈具有微弱的逆磁性，液态丁二腈具有微弱的导电性，而且可以弥补金属不透光、熔点高等一系列缺陷[3]。

在磁场环境下进行定向凝固的技术，是近年来材料电磁工艺发展的重点，时至今日依然停留在起步阶段。很多学者[4-6]尝试使用这种方式分析磁场环境对凝固界面的影响以及影响的程度，却没有考虑到金属凝固界面内部热电流的存在。

R.Moreau等[7]对合金凝固枝晶区域中热电磁流体动力学效应进行研究，指出由于金属从冷端生长到热端时会产生热电流，改变晶体排列组织，进而改善材料的性能。在强磁场条件下，洛伦兹力对晶体凝固时产生的切向压力，会影响金属液流速的快慢，进而影响晶体的凝固过程，导致最终晶体形态的差别。受液相晶体流速的影响，晶体的生长速率可以被控制，而除晶体的主枝晶不受影响以外，其余二次枝晶等生长都受到阻碍。有研究指出[8-10]，晶体凝固时的流速随磁场强度的增加而变得缓慢，即强磁场抑制金属液的流动、对流。强磁场作用于流体，产生微小的热电势差，能促进晶体的凝固，并使其宏观组织更为精细。由此可以得出，强磁场的抑制对流现象，将粗化晶体的凝固形态，与此同时，晶体在磁场下凝固产生的切向压力以及热电势差，使晶粒尺寸更为细化。

本文在无磁场以及1T磁场强度条件下，对纯度为99.927%的丁二腈定向凝固过程的生长形貌进行实时观察，研究模拟金属的凝固微观组织随时间变化的形成和演化过程，并进行理论分析，从而探究强磁场对丁二腈定向凝固行为的影响，推进晶体生长机制和形态研究的问题。

1 实验设备及方法

1.1 实验装置

设计并自制了定向凝固装置。该设备加热模块额定电压 220V，总功率 40W，温度可在60～80℃之间调节；冷却模块则采用12V额定电压，允许通过的最大电流6A，总功率为144W，可在0～30℃之间调节温度数值；冷却端与加热端相距10mm；采用B011数码显微镜，放大倍率在40～500倍之间可调，最高分辨率500W像素；观测区域与冷却端相距3mm。定向凝固装置的组装与各部分元件如图1所示。

图1 定向凝固装置主视图

1.2 观测及分析方法

针对实时观察丁二腈生长过程的尺寸特征剪短半径R、生长速度V、枝晶间距λ1进行探究，由于观测区域尺寸为1.47mm×1.09mm，将1.47mm平均分为六等分，每份均为0.245mm×1.09mm，取前五份即可，每一份取得相对应的特征尺寸。利用Origin进行数字化踩点和抛物线拟合，得出二次函数。

2 实验结果及分析

2.1 丁二腈不同温度梯度生长形貌

在相同的观测区域内，观察丁二腈在定向凝固过程中不同的温度梯度(3℃/mm、4℃/mm、5℃/mm、6℃/mm与7℃/mm)条件下，其生长形貌和时间，并进行记录。同时，针对不同温度梯度下丁二腈生长形貌之间的区别进行比较。图2表示丁二腈在温度梯度为3℃/mm的条件下，生长形貌随时间的变化。

由图2可知，丁二腈在定向凝固过程中的生长形貌为斜枝晶。因其枝晶择优生长方向与温度梯度方向出现了一定的夹角(θ)，通过测量，发现夹角θ的极限为20°。其原因在于丁二腈具有体心立方结构，枝晶择优生长方向〈100〉。

2.2 丁二腈在有无磁场下的枝晶间距

对丁二腈一次枝晶臂间距的数值进行分析。图3表示不同温度梯度(3℃/mm、4℃/mm、5℃/mm、6℃/mm与7℃/mm)下丁二腈一次枝晶臂间距的数值。

图2 丁二腈在3℃/mm温度梯度下的生长形貌

图3 不同温度梯度下丁二腈一次枝晶臂间距

由于丁二腈凝固过程中，在不同温度梯度下，其一次枝晶臂间距尺寸变量不大，数值变化始终小于25um，说明在不同温度梯度下，丁二腈的凝固过程中，一次枝晶臂间距变化不明显。但不同温度梯度下，该模拟金属的一次枝晶臂数值仍有不同，其一次枝晶臂数值大小关系为λ17℃/mm<λ16℃/mm<λ15℃/mm<λ14℃/mm<λ13℃/mm，由此可知其一次枝晶臂间距随温度梯度的增加而减小。

温度梯度为4℃/mm、5℃/mm、6℃/mm时，三个温度梯度下的丁二腈一次枝晶间距相近，三者之间的差值不超过20um；当温度梯度为3℃/mm和4℃/mm时，两者之间一次枝晶臂间距差值范围为40～50um；温度梯度为6℃/mm与7℃/mm时，其一次枝晶臂间距差值在25～40um之间。

通过数据比较，在温度梯度为4℃/mm、5℃/mm、6℃/mm下，丁二腈一次枝晶间距之间的差值较小，由于三者的加热端温度同为70℃，三者的一次枝晶臂间距数值相近，其数值关系为λ16℃/mm<λ15℃/mm<λ14℃/mm，这与丁二腈生长形态中丁二腈一次枝晶个数比值关系相同，由此说明温度梯度越大越促进丁二腈枝晶生长。

对丁二腈施加1T的磁场，与无磁场时比较丁二腈的一次枝晶臂间距。图4表示在1T磁场强度下，温度梯度为3℃/mm，丁二腈一次枝晶臂间距。由此可以看出，由于外加了磁场，丁二腈的一次枝晶臂间距减小。

图4 温度梯度为3℃/mm不同磁场强度下丁二腈的一次枝晶臂间距

2.3 丁二腈尖端半径

在定向凝固过程中，对不同温度梯度下丁二腈尖端半径的数值进行分析。图5表示不同温度梯度(3℃/mm、4℃/mm、5℃/mm、6℃/mm与7℃/mm)下丁二腈尖端半径的数值。

改变其定向凝固的温度梯度时，由于丁二腈的生长尖端半径尺寸变化不明显，其数值变化不超过5um，说明温度梯度不同时，随着丁二腈的生长，其尖端半径尺寸无显著变化，但尖端半径在数值上的差异仍然存在，该数值由小到大依次为R3℃/mm

图5 不同温度梯度下丁二腈尖端半径

对丁二腈在不同的温度梯度下施加磁场强度为1T的磁场，观查其凝固过程中的尖端半径。图6为1T磁场强度和不同温度梯度(3℃/mm、4℃/mm、5℃/mm、6℃/mm与7℃/mm)下丁二腈尖端半径的数值。

图6 1T磁场强度的不同温度梯度下丁二腈尖端半径

由图6可知，该模拟金属的尖端半径尺寸随外加磁场的加入而增加，即说明磁场促进丁二腈晶粒的粗化。在不同温度梯度下，丁二腈呈斜枝晶生长，当加入磁场强度为1T的磁场时，晶体形貌不发生变化，但其枝晶主干发生粗化，而主干的粗化导致了尖端半径的粗化。

3 结论

(1)在不同的温度梯度下，无论是否外加磁场强度为1T的磁场，丁二腈的生长形貌始终未斜枝晶。

(2)在无磁场条件下，丁二腈一次臂间距可按数值的大小排列为λ17℃/mm<λ16℃/mm<λ15℃/mm<λ14℃/mm<λ13℃/mm，丁二腈枝晶臂间距随着温度梯度的升高而升高。在温度梯度为3℃/mm下，施加1T的磁场，丁二腈斜枝晶一次枝晶间距减小。

(3)在无磁场条件下，丁二腈尖端半径数值在不同温度梯度下排列R3℃/mm