宋高阳等：利用超重力分离铝熔体中的夹杂颗粒 ·179· 2(b)~2(e)可以看出，在超重力场下，初生硅颗粒 2实验结果与讨论 在试样的上部区域出现了明显的偏聚现象，而且随 2.1不同重力场下试样的宏观观察以及试样的净 着重力系数的增加，硅颗粒在试样上部的偏聚富集 化率 程度变大.经过超重力场处理后，试样中下部区域 图2为不同重力场下获得试样的纵剖面图，试 出现了无初生硅颗粒的区域，而且重力系数越大，无 样内部出现的孔洞缺陷可能是试样在快速冷却凝固 初生硅颗粒的区域面积越大.然而经过超重力处理 过程中形成的[].在普通重力场条件下，初生硅颗 后的试样边部依然存在着定量的初生硅颗粒，这可 粒在整个试样截面上弥散分布并未发生明显的偏聚 能是因为试样边部紧挨着坩埚壁面，初生硅颗粒易 现象，如图2(a)所示.然而在超重力场中，超重力 于依附坩埚壁面形核长大，而且熔体中的硅颗粒被 可以降低硅颗粒的临界形核功，促进初生硅颗粒的 壁面捕获后由于受到较大的黏滞阻力而留在试样的 形核与析出7-)，析出的初生硅颗粒在超重力的作 边部区域2)]，但是随着超重力的增大，试样边部硅 用下向试样的上部区域进行快速迁移并聚集，由图 颗粒的数量有明显的减少趋势，如图2(b)~2(e). a (b) 图2不同重力场条件下获得的试样宏观纵剖面图.(a)G=1;(b)G=20;(c)G=50;(d)G=100;(e)G=500 Fig.2 Cross section of samples obtained with different gravity coefficients:(a)G=1;(b)G=20;(e)G=50;(d)G=100;(e)G=500 为具体表征不同重力场下试样内部初生硅颗粒 100 的分离效果，将试样内部无初生硅颗粒的区域占整 个试样截面的面积百分数定义为试样的净化率 80 (7).由图3可以看出，随着重力系数的增加，试样 60 的净化率显著增大，当G≥100时，试样的净化率增 40 加缓慢，当G=500时，试样的净化率达到了 84.98%. 20 2.2不同重力场下试样内部不同位置的硅颗粒分布 图4为不同重力场下试样内部不同位置的显微 0 100200300400500 组织，在普通重力场条件下，整个试样内部的初生硅 重力系数，G 颗粒出现了一定程度的偏聚现象，试样下部区域只 图3不同重力系数条件下试样的净化效率 存在定量的小尺寸硅颗粒，而试样上部区域的硅颗 Fig.3 Purification efficiencies of samples obtained under different gravity fields 粒的尺寸较大且数量明显增多，如图4(a)~4(c)所 示，这是由于密度较小的硅颗粒在常重力的作用下 生硅颗粒在试样上部的富集程度越来越显著，当重 从试样底部向上部进行缓慢迁移.而在超重力场条 力系数G=500时，试样的下部、中部区域已经非常 件下，熔体内部的硅颗粒将沿着超重力的反方向进 干净，几乎找不到大尺寸的初生硅颗粒，大量的硅颗 行快速迁移，经过超重力处理后，初生硅颗粒从试样 粒被富集在试样的上部区域，如图4(j)~4(1)所 底部到试样上部的方向上出现了更为明显的偏聚现 示.图5为超重力场下熔体内部硅颗粒的分离示意 象，说明施加的超重力强化了初生硅颗粒向试样上 图，进一步阐明了超重力有效分离金属熔体中夹杂 部区域上浮的过程.而且随着重力系数的增加，初 颗粒的过程.宋高阳等: 利用超重力分离铝熔体中的夹杂颗粒 2 实验结果与讨论 2郾 1 不同重力场下试样的宏观观察以及试样的净 化率 图 2 为不同重力场下获得试样的纵剖面图,试 样内部出现的孔洞缺陷可能是试样在快速冷却凝固 过程中形成的[2] . 在普通重力场条件下,初生硅颗 粒在整个试样截面上弥散分布并未发生明显的偏聚 现象,如图 2( a)所示. 然而在超重力场中,超重力 可以降低硅颗粒的临界形核功,促进初生硅颗粒的 形核与析出[17鄄鄄19] ,析出的初生硅颗粒在超重力的作 用下向试样的上部区域进行快速迁移并聚集,由图 2(b) ~ 2(e)可以看出,在超重力场下,初生硅颗粒 在试样的上部区域出现了明显的偏聚现象,而且随 着重力系数的增加,硅颗粒在试样上部的偏聚富集 程度变大. 经过超重力场处理后,试样中下部区域 出现了无初生硅颗粒的区域,而且重力系数越大,无 初生硅颗粒的区域面积越大. 然而经过超重力处理 后的试样边部依然存在着定量的初生硅颗粒,这可 能是因为试样边部紧挨着坩埚壁面,初生硅颗粒易 于依附坩埚壁面形核长大,而且熔体中的硅颗粒被 壁面捕获后由于受到较大的黏滞阻力而留在试样的 边部区域[2] ,但是随着超重力的增大,试样边部硅 颗粒的数量有明显的减少趋势,如图 2(b) ~ 2(e). 图 2 不同重力场条件下获得的试样宏观纵剖面图 郾 (a) G = 1; (b) G = 20; (c) G = 50; (d) G = 100; (e) G = 500 Fig. 2 Cross section of samples obtained with different gravity coefficients: (a)G = 1; (b) G = 20; (c) G = 50; (d) G = 100; (e) G = 500 为具体表征不同重力场下试样内部初生硅颗粒 的分离效果,将试样内部无初生硅颗粒的区域占整 个试样截面的面积百分数定义为试样的净化率 (浊). 由图 3 可以看出,随着重力系数的增加,试样 的净化率显著增大,当 G逸100 时,试样的净化率增 加缓 慢, 当 G = 500 时, 试 样 的 净 化 率 达 到 了 84郾 98% . 2郾 2 不同重力场下试样内部不同位置的硅颗粒分布 图 4 为不同重力场下试样内部不同位置的显微 组织,在普通重力场条件下,整个试样内部的初生硅 颗粒出现了一定程度的偏聚现象,试样下部区域只 存在定量的小尺寸硅颗粒,而试样上部区域的硅颗 粒的尺寸较大且数量明显增多,如图 4(a) ~ 4(c)所 示,这是由于密度较小的硅颗粒在常重力的作用下 从试样底部向上部进行缓慢迁移. 而在超重力场条 件下,熔体内部的硅颗粒将沿着超重力的反方向进 行快速迁移,经过超重力处理后,初生硅颗粒从试样 底部到试样上部的方向上出现了更为明显的偏聚现 象,说明施加的超重力强化了初生硅颗粒向试样上 部区域上浮的过程. 而且随着重力系数的增加,初 图 3 不同重力系数条件下试样的净化效率 Fig. 3 Purification efficiencies of samples obtained under different gravity fields 生硅颗粒在试样上部的富集程度越来越显著,当重 力系数 G = 500 时,试样的下部、中部区域已经非常 干净,几乎找不到大尺寸的初生硅颗粒,大量的硅颗 粒被富集在试样的上部区域,如图 4 ( j) ~ 4 ( l) 所 示. 图 5 为超重力场下熔体内部硅颗粒的分离示意 图,进一步阐明了超重力有效分离金属熔体中夹杂 颗粒的过程. ·179·