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定向凝固和相位稳定

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区域熔融定向凝固是一种用于制备固体材料中稳定相的冶金方法。在凝固过程中,熔化的合金冷却成形成固体的各个阶段。使用定向凝固炉,对固体材料内的相形成和稳定过程进行很好的控制。本视频将说明定向凝固的原理,并演示如何在实验室环境中应用它们,在固体样品中开发稳定的微观结构。

首先,让我们仔细看看凝固的过程本身,这涉及到液体的冷却。随着温度的降低,液体的颗粒移动较慢,并开始成核,形成所谓的"固体相"。此原理在相图中说明,该图显示了材料在温度变化时的不同相位。在固体-液体相间附近,发生液体中颗粒扩散的过程。这可能导致混合,并在熔体中产生对流,导致不稳定的微观结构的形成。本视频中的合金由两种类型的固相组成:α相和β相。在围网反应的特定情况下,固相α与液体相互作用,形成第二个固相β。在低增长率下,阿尔法和β相的交替带形成。

这称为"带状过程"。带带结构是液体内部对流振荡模式的结果。组合物范围、液体中的对流、成核温度和生长速度将决定带状结果的特性。这些由单个波段的宽度、它们之间的空间及其稳定性定义。在垂直方向使用区域熔冻炉,是控制凝固过程的一种巧妙的方法。在这个实验中,固体被移动到准备液体的炉子上,然后立即转移到冷却区,冻结熔化的材料。这种转换可以足够快地执行,以避免液相内的对流。热区和冷区之间的热梯度和速度可以很容易地调整,以控制固体相的生长条件。现在,我们将了解这些原则如何应用于使用区域熔融定向凝固炉的实验。

首先,取一根30厘米长的Pyrex管,外径为8毫米。选择一个100微米的Chromel Alumel热电偶,覆盖在0.1厘米的双孔护石管中,其尖端涂有硼-氮化物浆料。然后小心地将热电偶插入 Pyrex 管中。接下来,对合金样品进行称重,并将其放入熔炉中。将熔炉留在熔炉内,直到合金熔化。将灯泡固定在 Pyrex 管的末端,然后用灯泡施加吸力,并将熔体吸入玻璃管中。管子内形成的骑乘将在我们的下一个实验中使用。

将样品放在专为垂直凝固而设计和开发的定制设备中。此设置包括夹在两个冷却系统之间的一个熔炉。加热元件与以下 Cho 区之间的距离设置为 0.5 厘米。将热电偶连接到数据采集模块,然后将此模块连接到计算机。从下到上,继续炉的垂直运行。记录运行时间并确定沿着 Pyrex 管的炉子运动速度。通过考虑熔炉内熔化合金的温度与冷却区温度之间的差值来确定热梯度。

首先,打破玻璃管以去除此样品。使用带锯将样品切割成所需长度,然后使用环氧树脂安装样品。继续按照以下步骤抛光样品。首先,使用 600 级碳化硅纸,然后用 800 级碳化硅纸抛光,最后使用 1200 级。现在使用氧化铝磨蚀颗粒完成抛光。按顺序使用 3 微米、1 微米和 0.05 微米大小的颗粒。样品现在可以通过成像其微观结构进行分析。使用光学显微镜,在纵向和横向轴中获得铅-55镉合金样品的图像。显出由定向区熔融凝固产生的微观结构。

现在,让我们看一下获得的图像。铅-55镉合金样品的纵向和横向显微图显示,在区域熔融定向凝固过程中,形成复合型微结构。这些微观结构取决于热梯度和速度比。首先,从低比率的测量中,在β相的基质中可以看到分枝的树突和α相的细胞。其次,在中度比下,在β相的基质中形成α相的对齐、稳定、未分支的微观结构。

区域熔融冷冻定向凝固炉是控制各种应用材料中稳定微结构发展的有力工具。在这个冶金过程中,炉子沿着杆状样品移动,并熔化固体的狭窄区域。由于杂质往往在熔体内分离,因此它们与移动的熔融区一起移动到样品的一端。因此,熔融冻结定向凝固炉在商业合金精炼中经常使用。太阳能电池板技术还利用了具有稳定固相的合金。事实上,高质量的半导体对于确保更长的散装寿命和提高太阳能电池的效率至关重要。

您刚刚观看了 JoVE 关于定向凝固和相位稳定性的介绍。现在,您应该了解如何使用基于区域熔化和冻结原理的定向凝固炉控制材料中的微观结构发展。谢谢你的收看。

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