静磁场下Fe和FeSi过冷熔体中枝晶生长动力学研究

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中文摘要：枝晶是材料凝固过程中最典型的结晶形态。在凝固过程中，熔体的流动会影响枝晶的生长速率。微重力是研究对流影响枝晶生长速率的理想环境，但是其成本高，周期长。静磁场可以有效地控制熔体流动，并得到了国内外研究人员的广泛重视，通过改变磁场强度可以实现不同的对流环境。因此，本文对不同静磁场下的纯物质过冷熔体的枝晶生长动力学进行了研究，并采用理论模型对实验数据进行了分析。本文采用熔融玻璃净化和循环过热相结合的方法对不同静磁场下纯Fe和FeSi金属间化合物两种纯物质熔体实现了深过冷和快速凝固。利用单色红外测温仪测量纯物质样品的表面温度，实时记录下样品的冷却曲线，并通过计算得到两种样品的过冷度。利用高速摄影机记录两样品再辉过程中的表面形貌变化，并通过三维动画模拟软件对熔体的再辉过程进行重现，计算出枝晶生长速率。同时，对不同条件下两种纯物质熔体的冷却曲线进行对比分析，并用LKT/BCT理论模型对不同静磁场条件下纯物质熔体的枝晶生长动力学进行了研究。获得的主要结论如下: (1)在纯Fe和FeSi金属间化合物两种纯物质熔体的凝固过程中，随着过冷度的增大，再辉平台时间随之减小，且再辉温度随之降低。静磁场对纯Fe和FeSi化合物两种纯物质熔体的冷却曲线无明显影响。 (2)随着过冷度的增大，不同静磁场条件下的纯Fe的枝晶生长速率都随之增大，且都先按幂函数形式增长，而当过冷度超过临界过冷度ΔT*≈190K时，枝晶生长速率有突增的趋势。分析认为，这是由于纯Fe中含有少量的杂质，使其在超过临界过冷度后发生了“溶质截留”现象。FeSi化合物的枝晶生长速率也是随着过冷度的增大先按幂函数形式增长，而当过冷度超过临界过冷度ΔT*≈230K后，枝晶生长速率发生突变，出现了“无序截留”现象。 (3)静磁场对纯Fe和FeSi化合物熔体中小过冷度范围内的枝晶生长速率都具有显著的影响。施加静磁场后，随磁场强度的增大，枝晶生长速率逐渐减小;B=4T时达到最小，当超过4T后，枝晶生长速率随静磁场强度的增加逐渐回升。但是总体来讲，无磁场条件下的枝晶生长速率最大。在大过冷度区域内，静磁场对纯Fe和FeSi化合物的枝晶生长速率都没有明显影响。 (4)利用LKT/BCT模型对两种纯物质的实验数据进行理论分析表明，两种纯物质的枝晶生长速率实验值与LKT/BCT理论符合较好。随磁场强度增大，热扩散系数DT值先减小后增大，B=4T时达到最小。静磁场并没有对界面动力学系数μ产生明显影响，其值没有明显变化。 (5)对静磁场影响热扩散系数的机理分析表明，当静磁场强度低于4T时，静磁场有效地抑制了纯物质熔体中的对流，使中小过冷度区域内的枝晶生长速率下降。当静磁场强度超过4T后，熔体中的热电磁对流效应逐渐增强，减弱了静磁场对对流的抑制作用，使枝晶生长速率开始回升。

作者：

刘佳

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关键词：

纯铁硅铁凝固过程枝晶生长静磁场深过冷熔体

授予学位：

硕士

学科专业：

材料工程

导师：

秦高梧；高建荣

学位年度：

2015

学位授予单位：

东北大学

语种：

中文

中图分类号：