摘要
本文针对强磁场环境的特殊要求，设计并制作了在强磁场下温度梯度可控的透明模拟合金定向凝固装置。选用了纯度为99.927%的丁二腈为研究对象，在无磁场与有磁场条件下对其定向凝固过程的生长形貌进行实时观察，通过对不同温度梯度和不同磁场强度下的生长速度、一次枝晶间距、尖端半径等主要特征参数的测量，对磁场下丁二腈定向凝固的微观组织形成和演化过程进行了理论分析。 无磁场条件下，丁二腈透明合金定向凝固组织为斜枝晶，生长尖端两侧的二次枝晶为非对称关系，接近热流散热反方向的丁二腈二次枝晶尺寸较大。随着磁场强度的增加，丁二腈定向凝固过程中生长形貌发生明显变化，分别出现胞状晶、树枝状晶、斜树枝状晶与海藻状晶。无磁场条件下，不同温度梯度的丁二腈定向生长速度变化较小，符合与过冷度变化相反的规律。在相同温度梯度条件下，丁二腈定向凝固生长速度随磁场强度的增加而降低，表明强磁场的施加有明显抑制丁二腈生长的影响。 无磁场条件下，丁二腈的一次枝晶间距和二次枝晶臂间距随温度梯度的增大而减小。随着磁场强度的增加,温度梯度为3K/mm一次枝晶间距减小；而其它温度梯度在磁场强度为1T时，丁二腈一次枝晶间均大于在无磁场条件下的一次枝晶间距。无磁场条件时不同温度梯度下，丁二腈的生长速度与一次枝晶间距关系为λ1∝Vk，k≈0.86；在相同的温度梯度下，k值随着磁场强度的增大而减小。 在无磁场条件下，丁二腈的生长尖端R随温度梯度的增加而增大；在相同温度梯度时，丁二腈的生长尖端半径随着磁场强度的增加而增大。 综上，在强磁场的作用下，丁二腈定向凝固生长速度减小，一次枝晶臂间距与二次枝晶臂增加，尖端半径尺寸增大，晶粒整体粗化。其原因应是强磁场造成丁二腈的熔化熵数值增大，进而使得Jackson因子中α数值增大，固液界面的总层数越少，液相向固相表面沉积数量减少，丁二腈生长速度减小；一次枝晶间距与晶体生长速度和温度梯度的乘积成反比，在温度梯度不变的情况下，随着强磁场强度的升高，生长速度越低，一次臂间距越大；尖端半径与树枝晶生长速度成反比，同一温度梯度下，强磁场磁场强度升高，生长速度降低，丁二腈枝晶尖端半径增大。
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