1引言

共晶界面形態(tài)穩定性是凝聚態(tài)物理學(xué)和材料科學(xué)的一個(gè)基礎課題[1?6].定向凝固過(guò)程中晶體形態(tài)的不穩定性可能會(huì )導致不同的微觀(guān)結構，最終極大地影響產(chǎn)品的物理和機械性能.Hele-Shaw生長(cháng)室是觀(guān)察共晶定向凝固過(guò)程的典型實(shí)驗裝置，它是一個(gè)封存有樣品材料的十分扁平的容器.生長(cháng)室設置了一個(gè)高溫區與一個(gè)低溫區，高溫區的溫度設為T(mén)H，低溫區的溫度為T(mén)C，材料的凝固溫度TM介于兩者之間:即TC。

固體材料本身并非各向同性介質(zhì)，其晶格結構使固體體內的物理量以及表面的物理參數依賴(lài)于取向，變?yōu)楦飨虍愋粤?固體材料這些物理參量的各向異性特征對凝固過(guò)程動(dòng)力學(xué)與界面穩定性機理以至對界面微結構圖案的形成與選擇造成重要的影響[14].王志軍等[15，16]研究了各向異性表面張力對定向凝固過(guò)程中初始平界面穩定性的影響，發(fā)現各向異性表面張力的非線(xiàn)性效應導致界面傾斜生長(cháng).Chen等[17]研究了各向異性表面張力對定向凝固過(guò)程中球晶生長(cháng)的影響，發(fā)現在各向異性表面張力作用下，球晶生長(cháng)初始階段部分界面首先向內移動(dòng)，達到一定的熔化深度后向外移動(dòng).Xu[18]研究了各向異性表面張力對定向凝固過(guò)程中枝晶生長(cháng)的影響，發(fā)現當存在各向異性表面張力時(shí)，枝晶系統具有兩種不同的整體不穩定性機理:震蕩不穩定性與低頻不穩定性.陳明文等[19]研究了各向異性表面張力對定向凝固過(guò)程中深胞晶生長(cháng)的影響，發(fā)現當各向異性表面張力增大時(shí)，深胞晶界面全長(cháng)增大，根部低端的曲率半徑增大.本文應用多重變量展開(kāi)法研究各向異性表面張力條件下定向凝固共晶生長(cháng)形態(tài)穩定性，揭示了各向異性表面張力對共晶生長(cháng)不穩定性區域大小的影響.

圖1共晶結構的示意圖

2定向凝固系統的數學(xué)模型

假設由α和β兩相組成的片層共晶以拉度V向液相穩定推進(jìn)，共晶片層與固-液界面垂直.選取固-液界面處α相片層的中心為坐標原點(diǎn)，x軸與片層垂直，z軸與晶體生長(cháng)方向平行，如圖1所示.共晶界面用函數z=h(x，t)表示，它也是共晶生長(cháng)解的一部分.

本文引用Xu等[12]的無(wú)量綱化尺度，并且假設主間距的一半?w遠小于溶質(zhì)擴散長(cháng)度?D=κD/V，即?w??D，其中κD為溶質(zhì)擴散系數.選取?w為長(cháng)度尺度，V為速度尺度，?w/V為時(shí)間尺度，?H/(cPρL)為溫度尺度，Ce為濃度尺度，其中?H是單位體積內固相潛熱，cP是比熱容，ρL是溶質(zhì)密度，Ce是共晶濃度.無(wú)量綱溫度ˉT=(T?Te)/[?H/cPρL]，無(wú)量綱濃度ˉC=(C?Ce)/Ce，無(wú)量綱無(wú)窮遠處濃度ˉC∞=[(C∞)D?Ce]/Ce，其中Te是共晶溫度，(C∞)D是有量綱無(wú)窮遠處濃度.為了書(shū)寫(xiě)簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，下文省略掉無(wú)量綱量頭上的符號“-”.各向異性表面張力用四重對稱(chēng)函數γ(θ)=γ0[1+γ4cos(4θ)][14]表示，其中γ0為各向同性表面張力系數，γ4為各向異性表面張力系數，θ為界面法向量與z軸之間的夾角.共晶生長(cháng)系統還包含以下無(wú)量綱量:Peclet數Pe=?w/?D;形態(tài)參數M=(?mCe)/[?H/(cPρL)]，m是液相線(xiàn)系數;界面穩定性參數Γ=?c/?w，?c是毛細長(cháng)度，?c=γ0cPρLTe/(?H)2;無(wú)量綱溫度梯度G=(G)D?w/[?H/(cPρL)]，(G)D是與實(shí)驗裝置相關(guān)的有量綱溫度梯度;無(wú)量綱間距參數Wc=wc/?w，wc表示α相寬度的一半.

注意到γ0，γ4，m和分離系數κ都是分段常值函數，在α相和β相都有各自對應的常數值.用q來(lái)代表這類(lèi)物理量，qα表示其在α相的函數值，qβ表示其在β相的函數值.由于溶質(zhì)擴散長(cháng)度?D遠小于熱擴散長(cháng)度?T=κT/V，即?D??T，其中κT是熱擴散系數.界面溫度可以近似表示為T(mén)L=TS～G(z?z?)，其中TL，TS分別是液相和固相溫度，z?是與α相尖端位置有關(guān)的常數.對于典型的實(shí)驗材料，Peclet數Pe很小.以CBr4-C4Cl6[20，21]生長(cháng)系統為例，Pe≈0.01，?！?.5×10?5.為了做漸近分析，本文把Peclet數Pe作為基本的小參數，假設ε=Pe?1且Γ=ε2ˉΓ，ˉΓ=O(1).

為考察共晶生長(cháng)形態(tài)穩定性，利用共晶生長(cháng)的定常解作為基態(tài)進(jìn)行穩定性分析.在初始時(shí)刻t=0時(shí)對基態(tài)解做一小擾動(dòng)，并將在t>0以后形成的非定常解分解成兩個(gè)部分:

其中{CB，hB}是系統的基態(tài)，{e C，?h}是系統的擾動(dòng)態(tài).假設初始擾動(dòng)態(tài)的范數共晶生長(cháng)系統的定常解為[11]:

其中

θ?是α相的接觸角，θ+是β相的接觸角，這兩個(gè)接觸角與夾度θα，θβ以及傾斜角ψ之間滿(mǎn)足關(guān)系式θ?=θα?π/2?ψ，θ+=θβ?π/2+ψ，如圖2所示.

將系統方程以振幅遠小于1進(jìn)行線(xiàn)性化處理，結合(1)式—(4)式，可以得到共晶生長(cháng)系統的擾動(dòng)態(tài)滿(mǎn)足以下控制方程和邊界條件:

1)在遠場(chǎng)區域，當z→∞時(shí)，

2)在側壁x=0和x=1上，

(b)反對稱(chēng)(antisymmetric)模式(A-模式)

3)在界面z=hB上，

(a)Gibbs-Thomson條件

(a)對稱(chēng)(symmetric)模式(S-模式)

由三角誘導公式可知，

于是有

結合(9)式和(10)式，Gibbs-Thomson條件可以改寫(xiě)為

(b)雜質(zhì)質(zhì)量守恒條件

3擾動(dòng)態(tài)的多重變量漸近展開(kāi)解

為了得到系統擾動(dòng)態(tài)的漸近解，引入快變量[12]

按照多重變量(x，z，x+，z+，t+)，解可以寫(xiě)成如下形式:

并對波數函數和特征值做如下展開(kāi):