【摘 要】
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深过冷快速凝固包含晶体的形核与长大过程,针对纯物质以及多种合金过冷熔体的晶体生长国内外学者已经进行了大量研究。随着强磁场技术的发展,其在材料科学研究中得到了实践与应用。磁场对熔体内的对流具有一定的控制作用,梯度磁场有别于均匀磁场,存在磁化力的作用,施加磁场后界面前沿的对流变化存在差异,对晶体生长速率的影响有所不同。因此本实验主要对不同磁场条件下的晶体生长速率进行对比分析。本文选择纯Ni以及Ni81
【基金项目】
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国家自然科学基金（51071043,51271055）； 中央高校基本科研业务费（N130509001）；
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深过冷快速凝固包含晶体的形核与长大过程,针对纯物质以及多种合金过冷熔体的晶体生长国内外学者已经进行了大量研究。随着强磁场技术的发展,其在材料科学研究中得到了实践与应用。磁场对熔体内的对流具有一定的控制作用,梯度磁场有别于均匀磁场,存在磁化力的作用,施加磁场后界面前沿的对流变化存在差异,对晶体生长速率的影响有所不同。因此本实验主要对不同磁场条件下的晶体生长速率进行对比分析。本文选择纯Ni以及Ni81.3Sn18.7固溶体-化合物共晶合金、Ni83Sn17亚共晶合金、Ni80Sn20过共晶合金为研究对象,利用红外测温仪和高速摄影机分别记录了样品表面的温度变化和再辉图像,通过计算机软件模拟得到不同磁场条件下的晶体生长速率。采用LKT/BCT模型和LZ模型分别对深过冷熔体枝晶生长速率和共晶生长速率进行拟合,分析梯度磁场对纯Ni的枝晶生长速率以及三种不同成分Ni-Sn合金晶体生长速率的影响。获得的主要结论如下:（1）当施加磁场后,同一过冷度下负梯度磁场纯Ni枝晶生长速率要明显大于均匀磁场枝晶生长速率。随着过冷度的不断增大,枝晶生长速率变化幅度降低,磁场对枝晶生长速率的影响逐渐减小。采用LKT/BCT模型对纯Ni实验结果进行拟合,界面动力学系数 变化较小,其值基本保持不变。负梯度磁场与均匀磁场条件下的有效热扩散系数DT均有较大变化,且负梯度磁场下DT值大于均匀磁场下DT值。说明磁场主要通过热扩散影响枝晶生长速率,不同磁场下熔体内对流变化不同,导致枝晶生长速率随磁场强度变化有所差异。（2）Ni81.3Sn18.7共晶生长速率随磁场强度的增大先减小后增大,B=3 T为临界极小点。Ni83Sn17亚共晶合金有三个生长速率增长区域,中等过冷度下的共晶生长速率整体变化较小,B=3 T和B=6T为临界极小。Ni80Sn20过共晶合金有两个生长速率增长区域,中等过冷度下的共晶生长速率先减小后增大再减小,B=2T为临界极小,B=3T达到临界极大。（3）在Ni-Sn合金枝晶生长区域内α-Ni和Ni3Sn枝晶生长速率基本不随磁场变化。对于亚共晶合金大过冷度范围内的α-Ni枝晶生长,由于过冷度较大,洛伦兹力与热电磁洛伦兹力相互作用减弱了对对流的影响,且对流相对枝晶生长速率较弱,因此枝晶生长速率变化减小;Ni3Sn为金属间化合物,需按一定的原子比占位,过共晶合金小过冷度范围内Ni3Sn枝晶生长速率较小,由于合金熔体中生长界面前沿的溶质原子较为富集,对流对生长速率的影响不明显。（4）采用LZ模型对不同负梯度磁场条件下的Ni81.3Sn18.7共晶合金生长速率进行拟合,有效热扩散系数DT随磁场强度的增加变化较大,整体上与生长速率变化类似,B=1～5 T范围内变化较小。有效溶质扩散系数DL在B=3T与B=6T时变化相对较大,其余磁场条件下基本不变。说明负梯度磁场条件下晶体生长速率主要受热扩散的影响,溶质扩散影响相对较小。
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