大直徑高純鋁錠定向凝固提純的研究.pdf

1、近年來(lái),高純鋁在航空航天業(yè)、超導(dǎo)體、電子信息業(yè)、天文研究等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,成為重要的結(jié)構(gòu)功能材料。但是我國(guó)在高純鋁提純凈化、性能研究方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)際先進(jìn)水平。高純鋁定向凝固性能的研究在國(guó)內(nèi)更是沒(méi)有試驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。
　　 為了提高高純鋁定向凝固提純的效率和大直徑高純鋁錠定向凝固特性研究的水平,本文在國(guó)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,研制了一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的5N高純鋁定向凝固提純裝備。本專(zhuān)利設(shè)備在國(guó)內(nèi)首次使用了上、下雙線圈雙區(qū)同軸心中

2、頻感應(yīng)加熱方式,采用計(jì)算機(jī)和溫度控制儀雙聯(lián)控制的方式,根據(jù)固液界面前沿熔體中的溫度梯度變化,控制晶體的生長(zhǎng)速度與之相匹配,可以穩(wěn)定控制晶粒的生長(zhǎng)形態(tài)、固液界面的形狀。利用本設(shè)備,成功制備出了直徑為100～120mm晶粒生長(zhǎng)穩(wěn)定的5N高純鋁錠。
　　 通過(guò)對(duì)設(shè)備的測(cè)試和制備的高純鋁晶體結(jié)構(gòu)的分析,結(jié)果表明,雙線圈雙區(qū)加熱可以獲得固液界面前沿熔體中徑向正溫度梯度,因此可以得到上凸的界面形態(tài)。雙線圈加熱時(shí)固液界面前沿熔體中的溫度梯度比

3、單線圈加熱時(shí)大約高出10～15℃/cm。當(dāng)雙中頻感應(yīng)線圈外增加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)攪拌器后,固液界面前沿的溫度梯度會(huì)進(jìn)一步增加。
　　 進(jìn)一步研究了大直徑高純鋁錠生長(zhǎng)過(guò)程中晶粒的形核、生長(zhǎng)過(guò)程。定向凝固過(guò)程中,固液生長(zhǎng)界面處的晶界呈溝狀,且在晶粒邊緣處有壟狀凸起。兩兩晶界為直線,交界的交點(diǎn)則呈現(xiàn)尖部向下的三棱錐形。三晶交界點(diǎn)的深度比兩兩晶界的深度大約深0.4μm。
　　 大直徑鋁錠定向凝固過(guò)程中,是以胞狀晶形式進(jìn)行的。新生晶粒的形核

4、長(zhǎng)大方式在鋁錠凝固過(guò)程中是不同的:過(guò)渡區(qū)中,新晶粒的形核點(diǎn)位于三晶交界的阱中,新生的晶粒生長(zhǎng)過(guò)程中同原有的三個(gè)晶粒即產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)過(guò)程,晶粒的底部呈現(xiàn)錐狀；熱場(chǎng)穩(wěn)定后,在晶界上形核的晶粒僅在短時(shí)間內(nèi)取代生長(zhǎng)弱勢(shì)的原晶粒,完全繼承了原有晶粒的生長(zhǎng)空間和晶界面,同其它原有晶粒展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng),此時(shí),晶粒底部為馬鞍狀的曲面。
　　 通過(guò)X-RAY衍射分析發(fā)現(xiàn),經(jīng)受競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)的晶粒中,晶格取向最接近最優(yōu)生長(zhǎng)方向的晶粒,占有生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)并有可能最終生長(zhǎng)為

5、單晶。晶粒在生長(zhǎng)過(guò)程中,生長(zhǎng)方向始終垂直于生長(zhǎng)界面。被競(jìng)爭(zhēng)消滅的晶粒盡管在宏觀上看來(lái)有方向上的扭轉(zhuǎn)和偏移,但其水平晶格[111]取向不會(huì)發(fā)生變化,晶粒的[100]軸向取向會(huì)隨晶粒的生長(zhǎng),逐漸靠近最優(yōu)生長(zhǎng)向。生長(zhǎng)速度影響晶粒的生長(zhǎng)情況,生長(zhǎng)速度越快,晶粒的直徑越小,最終形成單晶的生長(zhǎng)過(guò)程越長(zhǎng)；生長(zhǎng)速度越快,最終形成單晶的晶格取向越偏離定義[100]向。
　　 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)攪拌下產(chǎn)生的周向流改變了過(guò)渡區(qū)形核的晶粒取向,新生晶核產(chǎn)生迎流偏

6、轉(zhuǎn),造成晶粒的最優(yōu)生長(zhǎng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。電磁攪拌條件下,偏離定義[100]向角度最小的晶粒并不具有生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì),而最接近偏離了的最優(yōu)生長(zhǎng)方向的晶粒會(huì)最終生長(zhǎng)成為單晶。同時(shí)強(qiáng)烈的周向流沖刷固液界面,使得晶粒晶界壟起處兩側(cè)產(chǎn)生溶質(zhì)分布不均衡的區(qū)域,造成晶界的迎流偏轉(zhuǎn),并最終促使晶粒的晶界向迎流向移動(dòng)。
　　 通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)攪拌下的固液界面前沿熔體中流場(chǎng)的分析,得到固液界面前沿速度邊界層和溶質(zhì)邊界層的變化公式:
　　 根據(jù)此公式分析,

7、在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)攪拌條件下,固液界面前沿的速度邊界層沿徑向逐漸減小,溶質(zhì)邊界層隨之減??；溶質(zhì)邊界層的減小,降低了ke值,提高了提純的效率,同時(shí)也減輕了溶質(zhì)波動(dòng)對(duì)固相溶質(zhì)濃度分布的不均勻性的影響。
　　 通過(guò)SEM檢測(cè)發(fā)現(xiàn),溶質(zhì)微觀分布產(chǎn)生的主要因?yàn)槭怯晒桃航缑媲把厝垠w的流動(dòng)造成溫度場(chǎng)變化,進(jìn)而使得晶體生長(zhǎng)界面移動(dòng)速度波動(dòng)引起的,外部傳入振動(dòng)產(chǎn)生的影響不是主要因素:有電磁攪拌和無(wú)電磁攪拌條件下得到的生長(zhǎng)條紋的微觀形態(tài)不同,這表明固液界面

8、前沿不同流場(chǎng)對(duì)凝固后晶體的晶格排布會(huì)產(chǎn)生影響,造成溶質(zhì)元素的分布特點(diǎn)不同。
　　 試驗(yàn)中制備的5N高純鋁錠采用GDMS方法檢測(cè)成分,結(jié)果表明,大直徑高純鋁錠徑向溶質(zhì)分布與小直徑定向凝固試樣的徑向溶質(zhì)分布不同:在上凸固液界面條件下,平衡分配系數(shù)k<1的元素,其成分含量從中心到邊緣呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；平衡分配系數(shù)k>1的元素,其含量從中心到邊緣呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。施加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)后,由于周向流隨半徑增加而增大,鋁錠的徑向偏析率比無(wú)電磁攪拌條件下得到

9、的鋁錠要高。
　　 通過(guò)計(jì)算推導(dǎo)得到了胞狀晶大直徑高純鋁錠固相中晶界處溶質(zhì)濃度的公式,
　　 通過(guò)公式分析表明,晶界處溶質(zhì)濃度同固液界面前沿溶質(zhì)濃度、晶體生長(zhǎng)速度和平衡分配系數(shù)相關(guān)。由于晶界處溶質(zhì)富集層厚度很小,胞狀多晶錠橫截面上的徑向溶質(zhì)分布,沒(méi)有受到晶界存在的影響。
　　 綜上所述,旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下的雙線圈加熱生長(zhǎng)條件,不僅可以加速晶粒競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)的過(guò)程,而且可以促進(jìn)固液界面處溶質(zhì)的排除,降低有效分配系數(shù),提高固相