VoL21 No.2 常国威等：电流改变定向凝固单相合金枝品间距机理 ·177* G(ω)=-2wTmΓ+[2mGc(ω·-(V/D)]/(w·- 曲线的叠加，如图2所示.式中若第1项和第2项 (V1D)p)-(g3+g)w+(p-ps)(19) 均大于零，则ω>0.由文献[1]知，电流与固液界 G(ω)的正负决定着扰动振幅的涨落，从而决 面能的关系为a。=o+(+)尸，式中a。为电流作 定着固液界面的稳定性.G(ω)由4项所组成，电 用下的固液界面能：5，∫分别为与固相液相有关 流对稳定性的影响隐含在各项之中， 的常数.随着电流强度的增加，式中右边第2项减 随着电流强度的增加，固液界面能增大四，使 小而第3项增加.设I=0时G(w)=0所对应的 2wT厂增加.则在扰动的基础上，电流的作用使 ω为w。,随着电流强度由小到大地增加，则曲线 界面稳定性进一步增加；(19)式中的pg一P项为 [2mGc-(gs+g)/2T Tla+(pL-Ps)/2TT 电流作用在固液界面两侧所产生的热量差值，一 与曲线{2mGc-(gs+g)12T.}ω的交点所对 般地在金属中？>Pg,故电流强度又使固液界 应的w由小于山，向大于仙，变化，I+0,G'(@)=0 面的稳定性下降；电流强度通过增加固液界面前 时的w也由小于w,向大于w,变化，直到(20)式无 沿熔体流动改变溶质原子的有效扩散系数D而 根为止.此时的G(ω)<0，界面失去稳定性，扰动 使G。下降，即2mGω（ω'-1D)/(ω·-W/D) 振幅变小，凝固界面向平面方向发展，当然也不 ·p)值减小，提高固液界面形态稳定性，当固液 能排除电流强度的严重过大使凝固转变为熔化 界面宏观上基本为平面时电流引起的流动很小， 状态. 故它的作用是很小的.即电流强度通过Gc,T, P一Pg对界面稳定性的这种两方面的作用，增加 了其对凝固过程中界面稳定性影响的复杂性， 4电流改变定向凝固单相合金 @o 枝晶间距的机理 假设w·-V/D≈w·-(V/D)P,则由(19) 式可得： G'()=-w3+ 2mGc-(gs-81 PPs 二w+ 2T I 27r(20) 图2电流对ω影响示意图，1<2<山 (20)式是式中右边第1项与第2项和第3项2条 w'=ω时所对应的电流强度可由下式表示： 「2m(Ge-G的+g+g-gs-g)l[2mG。-g-g】/2T]22 (11片-11-s+f02mG。-(g。+g)P21o(2T.)F (21) 式中：G%,ggg{分别为电流为1~时的界面溶质浓 象在一般的铸锭中相同的部位是看不到的.当电 度及温度梯度.即电流强度的增加使[d6(④dd]/ 流强度达到使组织细化的程度后细化的效果也 δ()=0时所对应的w值先变小，当I>I·时w值 随之显著，只要是电流所产生的热量不使已经凝 增大，如果(21)式的I·无根则表明电流不会使ω 固的金属熔化，电流强度将会使组织一直细化下 减小，只能使ω增大. 去，上述电流细化组织的现象在胞晶尖端也同样 扰动的波长1=2π/ω愈大凝固组织中胞 会发生，胞晶尖端出现分叉使组织细化，顾根大 晶、柱状品以及树枝品各自的间距也愈大.所以 等人的实验结果也证实了这一点， 电流强度通过影响凝固界面扰动频率w来改变凝 固组织的粗细.即电流强度的增加先使组织变得 5结论 粗大，当电流强度超过临界值【·后电流强度愈大 电流作用下凝固界面形态稳定性的判据为. 组织就愈细，直到使凝固界面失去稳定性为 G(@)=-2@'T T-@(gs+8)+ 止，.图2中铸锭底部虽然冷却能力较强，但是如果 没有电流的作用不易得到如此粗大组织，而这时 (·-) D' 的电流恰恰是比较小的.这种使晶粒粗大化的现 2mG w- (u·_'”t1-Ps).常国威等 电流改变定 向凝 固单相 合金枝 晶 间距机理 ， 一 加 ，几 佃 ’ 一 。 ‘ 尸 一 姚 幼 。 印 一 尹 伽 的正 负决定 着 扰 动振 幅 的涨落 ， 从而 决 定 着 固液 界 面 的稳 定性 田 由 项 所 组 成 ， 电 流对稳定性 的影 响 隐含在各项之 中 随着 电流强度 的增加 ， 固液界 面能增大 川 ， 使 增 加 则在 扰 动 的基 础 上 ， 电流 的作 用使 界 面稳定 性进 一步 增 加 式 中的尹 一 叭项 为 电流 作用 在 固液界 面 两侧所 产生 的热量差 值 ， 一 般地在金属 中 沪 叭 ， 故 电流 强度 又使 固液界 面 的稳定性 下 降 电流强 度通 过增 加 固液界 面前 沿熔体 流 动 改 变 溶质 原 子 的有 效 扩 散 系 数 而 使 下 降 ， 即 。 佃 ’ 一 科刀 。 ’ 一 了 · 值减小 ， 提 高 固液界 面 形 态 稳 定 性 ， 当固液 界 面宏观上 基 本 为 平 面 时 电流 引起 的流 动很小 ， 故 它 的 作 用 是 很 小 的 · 即 电 流 强 度 通 过 ， ， 沪。 一 尹 对界 面稳 定性 的这 种 两方 面 的作 用 ， 增 加 了其 对 凝 固 过 程 中界 面 稳 定 性 影 响 的 复 杂 性 曲线 的叠 加 ， 如 图 所示 式 中 若第 项 和第 项 均 大 于 零 ， 则。 由文 献 【 知 ， 电流 与 固液界 面 能 的 关系 为 一 认 护 ， 式 中 为 电流作 用 下 的 固液 界 面 能 无 ， 分 别 为 与 固相 液相 有 关 的常数 随着 电流 强度 的增 加 ， 式 中右边第 项减 小而 第 项增 加 设 二 时 ‘ 田 二 所 对应 的 为田 。 ， 随 着 电 流 强 度 由小 到 大 地 增 加 ， 则 曲线 。 一 信 口 。 沪 一 尹乡 与 曲线 。 一 信 口 。 的交点所对 应 的山 由小 于。 。 向大 于。 。 变 化 ， 羊 ， ’佃 时 的田 ’也 由小 于。 。 向大 于山 。 变 化 ， 直 到 式无 根 为止 此 时 的 佃 ， 界 面失 去稳定性 ， 扰动 振 幅 变 小 ， 凝 固界 面 向平 面 方 向发 展 当然 也 不 能排 除 电流 强 度 的 严 重 过 大 使凝 固转 变 为熔化 状态 式可 枝 电 得 假 流 晶 设 改 间 田 一 变 距 定 的机 向凝 理 二 。 固 ’ 一 单相合金 ， 则 由 ︵曰劝日 口一一 一 口 ’ 山 一 田 ’ 一 毓 一 幼 沪 一 沪 勿 十 一兀 图 电流对 田 影响示意图 式是 式 中右边第 项 与第 项 和第 项 条 。 ‘ 叭时所 对应 的 电流 强度 可 由下式表示 孟‘ 了才 乓 一 均 式 式一 毓 一 幼 乓 一 毓 一 动 」“ ’ 时一 嘴 一 习 一 偏 习 ，‘ ’ 几 ‘ ’ 一 一 幸 象在 一 般 的铸锭 中相 同的部 位 是 看 不 到 的 当 电 流 强 度达 到 使组 织 细 化 的程 度 后 细 化 的 效果 也 随之 显 著 ， 只要 是 电流 所 产 生 的热量 不 使 已 经 凝 固 的金 属熔化 ， 电流 强度 将 会使 组 织 一直 细 化 下 去 上 述 电流 细 化 组 织 的 现 象在胞 晶尖端 也 同样 会 发 生 ， 胞 晶 尖 端 出现 分 叉 使 组 织 细 化 ， 顾 根 大 等人川 的实验结果 也证实 了这一 点 结论 电流 作 用 下 凝 固界 面 形 态稳 定 性 的判 据 为 。 一 。 ，几 一 臼 口 一 竺， 伽 。 一 叭 一 式 中 二 ， 二 ， 主分别 为 电流 为 ‘ 时的界 面溶质浓 度及 温 度 梯 度 即 电流 强 度 的 增 加 使 〔面 时所对应的。 值先变小 ， 当 时。 值 增大 ， 如果 式 的 无根则 表 明 电流 不 会使。 减小 ， 只 能使。 增大 扰 动 的 波 长又 兀 田 愈 大 凝 固组 织 中胞 晶 、 柱 状 晶 以 及 树 枝 晶 各 自的 间距 也 愈大 所 以 电流 强 度 通 过影 响凝 固界 面扰 动频 率。 来 改 变凝 固组 织 的粗细 即 电流 强度 的增 加 先使组 织 变 得 粗大 ， 当电流 强度超过 临界值 申 后 电流 强度愈大 组 织 就 愈 细 ， 直 到 使 凝 固 界 面 失 去 稳 定 性 为 止 图 中铸锭底 部虽然冷却能力 较强 ， 但是 如果 没有 电流 的作用 不 易得 到 如此 粗 大组 织 ， 而 这 时 的 电流 恰恰是 比较小 的 这 种 使 晶粒粗 大 化 的现 乓臼 田