等轴晶在过热溶液落管中的下落熔化特性研究-论文.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．62．No．1(2013)018105等轴晶在过热溶液落管中的下落熔化特性研究半周鹏王猛十林鑫陈磊邱丰黄卫东(西北工业大学凝固技术国家重点实验室，西安710072)(2012年7月1日收到；2012年8月17曰收到修改稿)研究了NH4Cl等轴晶在过热NH4C1—70wt％H20溶液落管内熔化中的形貌演化过程，并分析了溶液过热度及等轴晶初始尺寸对其下落速度和熔化速率的影响规律和机理．结果表明：等轴晶在过热溶液中下落时，若不发生旋转，其形貌由准轴对称形貌演变成非轴对称准三角形貌；若发生旋转，

2、则有助于保持其准轴对称形貌．通过分析不同条件下等轴晶下落时的阻力系数，认为提高溶液过热度可获得更为光顺的等轴晶外形，增大其下落速度．等轴晶初始尺寸越大，其形貌复杂性提升及下落速度增大，会导致熔化速率加快．在等轴晶下落熔化的过程中，逐渐减小的下落速度减弱了界面前沿对流传质条件，使得单个等轴晶的熔化速率基本保持恒定．关键词：等轴晶，枝晶形貌，下落速度，熔化速率PACS：81．30．Fb，64．60．Q一，64．70．dj，47．57．efDOh10．7498／aps．62．018105对等轴晶熔化的影响会造成显著偏差，因此研究等1引

3、言轴晶与过热熔体的相对运动对其熔化过程的影响，则具有重要的实际意义．凝固相变是自然界及工业界常见的相变过程．本文选用NH4C1一H2O溶液作为模型合金，利以铸造生产为例，通过凝固相变往往形成等轴晶用其凝固、熔化过程与金属的相似性[12]，对其在区、柱状晶区和激冷区三种典型的组织分布．由过热溶液中形态演化过程进行直接观察，考察等轴于均匀分布的细小等轴晶组织能显著提高材料晶在溶液中的运动方式、初始尺寸及过热度对其的强度、韧性、延展性、疲劳强度及应力腐蚀阻熔化速率的影响，以期精确描述等轴晶的熔化规律抗力_ll2j，等轴晶的形成及演化过

4、程和机理成为了和机理．研究者们关注的重要课题．在非均质形核、型壁晶粒脱落、枝晶臂折断和熔断以及表面晶雨这4种等轴晶形成机理{3-6J的假说中，等轴晶的迁移行为2实验方法对于其演化及增殖均产生重要影响．不管以何种机理形成的等轴晶，在铸件内部熔体对流作用下都可实验采用NH4C1—70wt％H2O溶液，主要的物能漂移到具有不同熔体温度的区域7j．当其进入过性参数列于表1．实验装置如图1所示，包括如下组热区时，等轴晶将部分或完全熔化；进入过冷区时，成部分：上端玻璃管为晶核发生器，在过冷NH4C1—晶粒则继续长大，这一过程对凝固微观组织和

5、成分70wt％H20溶液中激发形核；在两个独立的透偏析有重要影响．对于等轴晶在过冷区的生长行为，明水浴中分别插入玻璃落管，管内充满NH4C1—70已有较多的研究lO]；而对于等轴晶在过热区的wt％H20溶液，其问用阀门连接，阻止上下管溶液熔化行为，研究则相对较少．Hisao等[1I]对过热区之间的对流；采用恒温槽对水浴控温，使上管(=枝晶熔化的研究也仅限于无熔体流动的条件．由于20mm)溶液处于过冷状态，晶核可在其中生长为形实际铸造中不可避免地会存在熔体流动，忽略流动貌规整的等轴晶，下管(=10mm)溶液过热，等轴国家重点基础研

6、究发展计划(批准号：2011CB610402)、国家自然科学基金(批准号：50901061，50971102)和凝固技术国家重点实验室(西北工业大学)自主经费(批准号：02．TZ．2008，36一TP一2009)资助的课题．十通讯作者．E—mail：wangmeng@nwpu．edu．ca⑥2013中国物理学会ChinesePhysicalSociety舭tp：／／wulixb．hy．ac．c佗018105—1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．62，No．1(2013)0181053．2等轴晶在过热熔体中的下落速度速度可

7、以表示为T2面gsa；·(6)等轴晶下落时，熔体与等轴晶之间的相对运动w对其熔化过程和形貌产生显著影响．实验观察结果考虑NH4C1等轴晶在过热溶液中的下落问表明，由于溶液黏滞阻力的作用，特定尺寸的等轴题，在NI--I4C1等轴晶熔化并发生形貌变化的过程晶在溶液中的下落速度会趋于稳定；若忽略熔化中，可通过实验测定等轴晶在不同过热度溶液中过程尺寸变化造成的下落速度改变，可以近似认为的下落速度，根据(6)式计算出等轴晶形貌对应的等轴晶处于力学平衡状态，从而给出下落状态描述B值．此外，忽略实验条件下温度及浓度差异所导关系式如下[15]：

8、致的黏度变化，参照表1取溶液的黏度为0．00103=，kg·ITI～·S-。．，(1)同时从d的无量纲公式中还可以看到，它包式中d为等轴晶的特征尺度，其取值为等轴晶外接含了固液相密度、重力加速度、液相的运动黏度V球直径，即2倍于等轴晶一次枝晶臂长度；W是等及晶粒