Acta Mater.：定向凝固过程中柱状树枝晶诱导分枝型晶界的演化

张小台 7年前 (2017-07-18) 5722浏览

【引言】

在金属的铸造过程中，柱状树枝晶都是由近表面的细小等轴晶初生形成的，其择优取向是由这些晶粒的竞争生长而决定的。传统观点认为，晶粒间竞争生长机制是由有利取向和不利取向枝晶尖端过冷度的差异导致的。而近期研究的现象表明，枝晶尖端过冷的差异并不能完全准确地预测晶粒竞争生长的结果。对于晶粒竞争生长的定量预测，需要全面理解晶界取向和控制参数之间的关系，然而这一关系的建立仍有欠缺。根据晶粒的生长方向，双晶粒的竞争生长形式通常可以分为两种：合并型和分开型。相比于合并型，现有对于分开型晶界取向选择的研究尚有不足。

【成果简介】

近日，西北工业大学凝固技术国家重点实验室的李俊杰副教授和王锦程教授（共同通讯作者）等人同时利用2D相场法模拟和现场实验观察的方法，探究分开型晶界取向的选择，并对其随机性分枝的现象进行更细节地分析。最终基于现有的研究结果与已发表的论文，提出了分开型晶界中平均晶界取向选择的更优分析模型。

【图文导读】

图1 双晶粒的晶粒取向构造原理图


(a1)-(a3) 合并型树枝晶生长；

(b1)-(b3) 分开型树枝晶生长；

(c) 相对于热梯度方向，沿顺时针定义角度；

(d) 有利取向晶粒中生长的新枝臂倾向于在其生长方向上的晶界

图2 一次和二次枝晶臂的生长方向原理图示

图3 有利取向晶粒沿温度梯度方向的拟合结果，即θFO=0，所有拟合结果对应实验条件为65s 

(a1)-(a5) 不同θUO值对应的典型微观组织；

(b1)-(b5) 不同θUO值对应ΔL分布；

(c) 有利取向晶粒新生主臂间的平均臂距和平均距离相对于θUO的分布图

图4 θFO×θUO=0(θFO=0°)下平均晶界取向θGB随θUO的变化，其中绿色折线是现有模型拟合结果，红色曲线是依据参考文献15的拟合结果

图5 有利取向晶粒沿温度梯度方向的实验结果，即θFO=0


(a1)-(a3) 不同拉拔速度下的典型微观组织；

(b1)-(b3) 不同速度下ΔL的分布，其中三个实验在相同条件下，有利取向晶粒(NFO)和不利取向晶粒(NUO)的新主臂数目是已知的；

(c) 有利取向晶粒新生主臂间的平均臂距和平均距离相对于速度V的分布图

图6 相向横截面上两个晶粒取向的拟合结果，即θFO×θUO<0，所有拟合结果对应实验条件为65s

(a1)-(a5) 不同θUO值对应的典型微观组织；

(b1)-(b5) 不同θUO值对应ΔL分布；

(c) 有利取向晶粒新生主臂间的平均臂距和平均距离相对于θUO的分布图

图7 θFO×θUO<0(θFO=-5°)下平均晶界取向θGB随θUO的变化，其中红色折线是现有模型的拟合结果，绿色折线是依据参考文献16的拟合结果

图8 在θFO=0°和θUO=15°条件下，有利取向晶粒在分开型晶界处侧枝生长的拟合结果
(a1)-(a2) 有利取向的枝晶在分开型晶界处的照片；

(b1)-(b2) 分别从晶界枝晶A1和A2得到侧枝生长的信号，信号X(Z0,t)对应距枝晶尖端距离Z0=55μm处凝固界面的连续交点

图9 有利取向晶粒在分开型晶界处侧枝生长的实验观察

 (a1)-(a2) 有利取向的枝晶在分开型晶界处的照片；

(b1)-(b2) 分别从晶界枝晶A1和A2得到侧枝生长的信号，信号X(Z0,t)对应距枝晶尖端距离Z0=35μm处凝固界面的连续交点

图10 在θFO×θUO≤0条件下分开生长过程中平均晶界倾向角θinclination的演化
 (a)θFO－θUO与θinclination的关系；

(b)θinclination/(θFO－θUO)与θFO＋θUO的关系

图11 不同结构下的竞争晶粒生长的原理图示

(a1)-(a3) 根据Tourret等人的模型得到的结果；

(b1)-(b3) 根据现有的模型得到的结果

【小结】

本文利用2D相场模拟法和实验法，研究了在不同取向的两个柱状树枝晶之间的分开型晶界二次和三次分枝现象，其中在模拟过程中，侧枝生长动力和后续枝晶竞争现象均与实验结果吻合，并且相对于现有的模型，本文提出了一个描述晶界取向选择更加准确的分析模型。

文献链接：Branching-induced grain boundary evolution during directional solidification of columnar dendritic grains (Acta Mater., 2017,DOI:10.1016/j.actamat.2017.07.002)

本文由材料人编辑部金属材料组张怡整理编译。

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