定向凝固和相位稳定

除了材料精炼，区域熔融定向凝固能够发展稳定的微观结构。然而，在液体中具有扩散过程（接近固体液体界面）可能会导致熔体中的混合和对流，从而导致不稳定的微观结构形成。稳定的相发展在围菌反应中尤为重要。

图2显示了相图中围网反应的示意图。如图2所示，围菌反应是一种凝固反应，其中固相（例如α）和液相（L）在冷却时将形成第二个固相（α）。图中的箭头显示了冷却过程和相位形成方式。

图2:相图中围点反应的原理图。

带带（图3）是方向凝固的围面合金中的一种常见结构，由于液体中的对流振荡模式，增长率相对较低。液体靠近生长界面，相对于另一相冷却不足。因此，初级阶段不能达到稳定状态，而第二阶段在初级阶段之前成核并生长。同样，初级阶段通过在第二阶段的瞬态生长机制中核化，防止第二阶段达到稳定状态，导致α和β相的替代带，形成几乎平行于围场的规划器界面系统。在许多围网系统中都观察到了带状结构，包括Fe-Ni、Sn-Cd、Zn-Cu、Sb-Sn和Pb-Bi。单个层的宽度、它们之间的空间及其稳定性受生长速度和成核温度的影响很大。此外，液体中的成分范围和对流可以改变层结构。

图3:带状结构的原理图（白色:+，黑色:+，G.D.:增长方向）。

本研究旨在采用带熔定向凝固炉，采用一种机制，避免对流的影响。该炉子（图4）是在UConn这里设计和开发的。凝固过程是垂直方向的。因此，如果溶质具有更大的密度，它迁移波纹管的熔体。然后，在炉子冻结熔化材料之前，冷却区会冻结它们有足够的时间对流/混合。因此，该技术仅限于具有相对重溶质的合金。

Pb-Cd、Pb-Bi 或 Sn-Cd 系统的合金应在不同的热梯度和速度下定向凝固，以便为所述系统建立生长条件，这些系统的固体相中扩散相对较慢。所有样品均应用纯金属制成（初始纯度超过99.99%）。

图4:在UConn开发的区域熔冻定向凝固炉。

图5和图6显示了光学显微镜揭示的Pb-55Cd合金定向区熔融凝固所形成的微观结构，其G/V比为两种不同的（G:热梯度，V:炉沿Pyrex管运动的速度）。

在低比（G/V=1.03×10 ^6（oC.Sec/Cm^2））下，微结构由α相矩阵中α相的分支树突组成。然而，在中等G/V比（G/V=1.55±10^6（o C.Sec/Cm^2）下，在β相的基质中形成α相的对齐稳定微结构（未分枝的树突或细胞）。

图5:Pb-55Cd合金的纵向（左）和横向（右）显微图，以低比G/V=1.03×10 6（oC.Sec/Cm^2）拍摄，显示了稳定的微观结构在区域熔融方向凝固过程中是如何发育的。

图6:Pb-55Cd合金纵向显微图，以中等比例G/V=1.55×10 6（oC.Sec/Cm^2）拍摄，显示对齐的稳定微结构在区域熔融方向凝固过程中如何发展。

本实验证明采用特定类型的区域熔冻定向凝固炉来发展稳定的微观结构。与室温下不均衡的两相不稳定微观结构不同，在室温下通过扩散在几个月内结构退化的两相不稳定微观结构，在样品生长中获得的单相结构不会发生任何变化。

由所述炉子开发的具有稳定相的样品在生物传感器和半导体等不同行业可能具有广泛的应用，在这些行业中，需要具有稳定相的合金来避免长时间应用过程中的降解。此外，该炉还可用于研究对流对稳定、多稳相的形成的影响。