近年来,高纯铝在航空航天业、超导体、电子信息业、天文研究等领域得到广泛的应用,成为重要的结构功能材料。但是我国在高纯铝提纯净化、性能研究方面远远落后于国际先进水平。高纯铝定向凝固性能的研究在国内更是没有试验和理论基础。　　 为了提高高纯铝定向凝固提纯的效率和大直径高纯铝锭定向凝固特性研究的水平,本文在国外相关研究的基础上,研制了一套具有自主知识产权的5N高纯铝定向凝固提纯装备。本专利设备在国内首次使用了上、下双线圈双区同轴心中频感应加热方式,采用计算机和温度控制仪双联控制的方式,根据固液界面前沿熔体中的温度梯度变化,控制晶体的生长速度与之相匹配,可以稳定控制晶粒的生长形态、固液界面的形状。利用本设备,成功制备出了直径为100～120mm晶粒生长稳定的5N高纯铝锭。　　 通过对设备的测试和制备的高纯铝晶体结构的分析,结果表明,双线圈双区加热可以获得固液界面前沿熔体中径向正温度梯度,因此可以得到上凸的界面形态。双线圈加热时固液界面前沿熔体中的温度梯度比单线圈加热时大约高出10～15℃/cm。当双中频感应线圈外增加旋转磁场搅拌器后,固液界面前沿的温度梯度会进一步增加。　　 进一步研究了大直径高纯铝锭生长过程中晶粒的形核、生长过程。定向凝固过程中,固液生长界面处的晶界呈沟状,且在晶粒边缘处有垄状凸起。两两晶界为直线,交界的交点则呈现尖部向下的三棱锥形。三晶交界点的深度比两两晶界的深度大约深0.4μm。　　 大直径铝锭定向凝固过程中,是以胞状晶形式进行的。新生晶粒的形核长大方式在铝锭凝固过程中是不同的:过渡区中,新晶粒的形核点位于三晶交界的阱中,新生的晶粒生长过程中同原有的三个晶粒即产生竞争生长过程,晶粒的底部呈现锥状；热场稳定后,在晶界上形核的晶粒仅在短时间内取代生长弱势的原晶粒,完全继承了原有晶粒的生长空间和晶界面,同其它原有晶粒展开竞争,此时,晶粒底部为马鞍状的曲面。　　 通过X-RAY衍射分析发现,经受竞争生长的晶粒中,晶格取向最接近最优生长方向的晶粒,占有生长优势并有可能最终生长为单晶。晶粒在生长过程中,生长方向始终垂直于生长界面。被竞争消灭的晶粒尽管在宏观上看来有方向上的扭转和偏移,但其水平晶格[111]取向不会发生变化,晶粒的[100]轴向取向会随晶粒的生长,逐渐靠近最优生长向。生长速度影响晶粒的生长情况,生长速度越快,晶粒的直径越小,最终形成单晶的生长过程越长；生长速度越快,最终形成单晶的晶格取向越偏离定义[100]向。　　 旋转磁场搅拌下产生的周向流改变了过渡区形核的晶粒取向,新生晶核产生迎流偏转,造成晶粒的最优生长方向发生偏转。电磁搅拌条件下,偏离定义[100]向角度最小的晶粒并不具有生长优势,而最接近偏离了的最优生长方向的晶粒会最终生长成为单晶。同时强烈的周向流冲刷固液界面,使得晶粒晶界垄起处两侧产生溶质分布不均衡的区域,造成晶界的迎流偏转,并最终促使晶粒的晶界向迎流向移动。　　 通过对旋转磁场搅拌下的固液界面前沿熔体中流场的分析,得到固液界面前沿速度边界层和溶质边界层的变化公式:　　 根据此公式分析,在旋转磁场搅拌条件下,固液界面前沿的速度边界层沿径向逐渐减小,溶质边界层随之减小；溶质边界层的减小,降低了ke值,提高了提纯的效率,同时也减轻了溶质波动对固相溶质浓度分布的不均匀性的影响。　　 通过SEM检测发现,溶质微观分布产生的主要因为是由固液界面前沿熔体的流动造成温度场变化,进而使得晶体生长界面移动速度波动引起的,外部传入振动产生的影响不是主要因素:有电磁搅拌和无电磁搅拌条件下得到的生长条纹的微观形态不同,这表明固液界面前沿不同流场对凝固后晶体的晶格排布会产生影响,造成溶质元素的分布特点不同。　　 试验中制备的5N高纯铝锭采用GDMS方法检测成分,结果表明,大直径高纯铝锭径向溶质分布与小直径定向凝固试样的径向溶质分布不同:在上凸固液界面条件下,平衡分配系数k<1的元素,其成分含量从中心到边缘呈现下降趋势；平衡分配系数k>1的元素,其含量从中心到边缘呈现上升趋势。施加旋转磁场后,由于周向流随半径增加而增大,铝锭的径向偏析率比无电磁搅拌条件下得到的铝锭要高。　　 通过计算推导得到了胞状晶大直径高纯铝锭固相中晶界处溶质浓度的公式,　　 通过公式分析表明,晶界处溶质浓度同固液界面前沿溶质浓度、晶体生长速度和平衡分配系数相关。由于晶界处溶质富集层厚度很小,胞状多晶锭横截面上的径向溶质分布,没有受到晶界存在的影响。　　 综上所述,旋转磁场作用下的双线圈加热生长条件,不仅可以加速晶粒竞争生长的过程,而且可以促进固液界面处溶质的排除,降低有效分配系数,提高固相的提纯效率。