应用同步辐射成像技术实时观察电流用下Sn-Pb合金等轴晶生长行为

自20世纪60年代人们发现电流能够改变金属合金的形核和生长过程以来，如改变枝晶形貌、细化晶粒等，随后电场对金属合金中枝晶微观结构的影响被广泛研究。然而，之前的研究者们普遍采用传统的实验研究方法，即淬火保留凝固组织后，通过金相或者扫描电镜来分析凝固过程中某一特定时刻的形貌特征，这样势必会丢掉此前和此后的一些微观组织生长信息。大连理工大学材料科学与工程学院王同敏教授带领研究组与高能所科研人员利用衍射增强成像方法对直流电场下Sn-Pb合金的等轴晶生长进行了深入的研究，相关的研究成果发表在2012年第89卷的《Materials Letters》上。

该研究组发现了直流电对Sn-Pb合金的等轴晶的形貌和生长速率均有明显的影响，并给出了不施加直流电和施加直流电两种条件下，枝晶形貌演变的成像照片。事实证明，在不施加直流电的条件下，其中某方向的一次枝晶臂生长迅速，而其他枝晶臂生长缓慢，枝晶形貌为不规则的等轴晶(图1(a)中白色箭头指示)，法国的研究者Bogon将其定义为枝晶的“自我中毒”现象。当施加直流电时，由电场感应出的电磁流能够冲刷枝晶的底部和侧枝，减少周围的溶质富集，使得枝晶臂在各个方向均衡发展，大大减弱了枝晶的“自我中毒”现象，最终呈现出一个规则的等轴晶形貌，此现象被称之为“电解毒”。

利用北京同步辐射装置(BSRF)4W1A-X射线成像实验站获得的6.7μm分辨率的不同条件下Sn-Pb合金形貌演变成像图片及定量分析曲线：(a)不施加直流电条件下，枝晶的生长形貌；枝晶在某方向生长旺盛，而在其余的方向生长均受到抑制，最终使得枝晶发生了“自我中毒”，呈现出一个不规则的等轴形貌。(b)施加直流电条件下，枝晶的生长形貌；由于电磁流对枝晶侧枝和底部的冲刷，减少的溶质的富集，使各个方向上的枝晶臂均衡生长，电流的作用解除了“自我中毒”，枝晶生长成了形貌规则的等轴晶。(c)不施加直流电和施加直流电条件下，平均晶粒尺寸随时间的变化曲线。(d) 不施加直流电和施加直流电条件下，平均生长速率随时间的变化曲线。

2012年11月16日出版的《科技文摘报》对该研究组的工作做了详细的报道：“王同敏教授带领的研究组紧密跟踪国际科学前沿，提出了新的研究思路，即利用电磁场调控下金属合金晶体生长的原位可视化，在国际上首次观察到电场对金属合金晶体生长行为及形貌演变的动态调控过程，揭示了电场抑制枝晶分枝以及促进晶粒细化的内在机理，发现了过大电流至枝晶尖端分裂现象并给出合理的解释。该研究组所发表的论文引起国内外同行的积极关注和反响”。

这个研究为理解电场作用下金属合金枝晶的生长行为及形貌演变提供了直接的第一手资料。在该研究工作中，同步辐射光源帮助该研究组解开了施加电场时，枝晶形貌和生长速率发生改变的本质。王同敏教授这样描述他们的工作：“目前来看，在微观尺度上对枝晶运动、枝晶臂断裂等现象进行数值建模还面临不小的困难，因此利用同步辐射X射线成像技术实验研究对流条件下的枝晶生长行为显得尤为重要。我们希望通过同步辐射实验与微观数值模拟研究的结合，弄清对流对合金凝固过程枝晶的形貌演变、竞争选择、枝晶臂断裂与游离等微观现象的影响规律与机制”。