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包晶凝固是一种十分重要的相变过程,许多结构材料和功能材料的加工过程均涉及到包晶反应。近年来人们发现,通过包晶凝固可以获得丰富多彩的凝固组织:初生相枝晶外包覆包晶相、稳定或亚稳相的单相枝晶、包晶相在初生相基体中弥散分布、垂直于生长方向的带状结构、与共晶层状结构类似的层片状组织。其组织变化与溶质扩散和晶体结构等密切相关。而强磁场可直接或间接影响结晶中溶质传输,改变晶体结晶取向,甚至界面张力,因此可望明显影响包晶凝固。但至今关于强磁场对包晶凝固组织的影响缺乏详尽的研究。
为了对强磁场下包晶合金的凝固组织演化、组织及相选择规律进行探索研究,本文以亚包晶Zn-2.0wt%Cu合金为实验合金,在不同的温度梯度、磁场强度和凝固速度下进行了定向凝固实验,考察其组织变化规律。
实验采用超导强磁场定向凝固炉,其中的磁场强度最高可达14T,磁场方向与定向凝固方向一致。凝固界面前温度梯度为44K/cm,定向凝固速度范围为2μm/s~1600μm/s,液淬速度为15mm/s,冷却介质为Ga-In-Sn液态金属,使得加热炉中液态金属由下而上定向凝固。用化学分析法测定Zn-Cu合金宏观材料成分,用金相显微镜和扫描电镜观察微观组织,用X射线衍射仪测定晶体取向关系。
实验结果表明:在低(2μm/s)的凝固速度下,无磁场和磁场强度较小(2T)时,组织以平界面方式生长,在外加6T的强磁场时,组织依然以平界面方式生长,但是出现了低速带状组织,并且随着磁场强度的增加,带状组织变得明显,带状间距变小;在较高的凝固速度(10μm/s)下,无磁场得组织以胞晶方式生长,有磁场的组织则以异常枝晶的方式生长;在更高的凝固速度下(≥50μm/s)无论是否有磁场,组织都以枝晶方式生长时,外加磁场使得枝晶更加发达,枝晶尖端曲率半径减小。
实验结果表明,磁场具有改变晶体取向的作用。在凝固速度为2μm/s时,磁场对晶体取向作用并不是很明显;当凝固速度为50μm/s时无磁场时晶体基本以垂直c轴方向生长,即沿a、b轴生长;当施加强磁场后,晶体趋于以平行c轴方向生长,说明强磁场影响了生长的最优方向和晶体取向。