电磁场作用下合金凝固机制研究

电磁作用下合金凝固机制研究瑚志展摘要1.提出合金凝固过程中晶粒磁取向的动力学模型，获得了晶粒取向时间的分析解，．2.在合金凝固的过程中施加电流或磁场，研究电流或磁场对合金凝固组织的影响，结果表明电流和磁场均可使晶粒明显细化。3.在（稳恒交变脉冲）（强弱）磁场与（直流交流脉冲）（强弱）电流叠加作用时对合金凝固的影响关键词晶粒磁取向细化脉冲电流脉冲磁场凝固纽织结晶游离随着技术的发展，采用液态加工和电磁场结合的手段制备有织构的合金材料获得了广泛应用，开辟了材料电磁制备的新前景．合金材料在电磁场中凝固时，具有磁各向异性的固液两相，易于形成有序织构，显著增强材料的各项性能．首先需要弄清合金凝固过程中晶粒磁取向的动力学模型，电磁场特性与合金凝固的相互关系．在此基础上，研究各种不同类型的电磁场作用下对合金凝固的影响从而获得经济生产中的巨大效益。电磁场作用下凝固形成的合金的优异性能在航天、汽车、电子等行业有巨大的前景，因此如何提高合金的的性能，是合金及其制备的关键问题之一。实践证明，细小的等轴晶粒组织能改善合金的塑性变形能力。因此，细化镁合金铸锭的显微组织，提高其力学性能受到广泛的重视。1987年，Vives提出cREM(casting，Refin—ing，Electmmagnetic，半连铸结晶器外施加交频磁场)工艺，采用电磁搅拌的方法，有效地细化了铝坯的晶粒。在电磁连铸(EMc)中，电磁搅拌对均匀成分和细化组织起到很好作用。但同时也发现，cREM工艺所用的工频电磁场的电磁渗透深度较大，合金被强烈搅拌，其表面液膜易被破坏，会在弯月面边部形成强烈的液面抖动，易发生液膜破碎、卷渣、拉裂等现象，有时严重影响铸坯质量。而另一方面，在高频磁场受到结晶器的强烈屏蔽，产生很大的热损耗，使能耗增加。基于上述结果，本文研究了在不同类型的电磁场作用下对合金凝固的影响，并通过冷坩埚式结晶器提高磁场的渗透效果，进行合金电磁连铸实验。在此基础上，对电磁连铸工艺及合金凝固组织、力学性能、成分偏析的影响进行分析。同时为了提高合金表面质量，也必须对电磁场作用下初凝壳的形成机制和变化规律有一个清晰和明确的认识。因此研究合金凝固过程中不同类型不同强弱的电磁场对其影响十分必要。1.理论为简化问题，考虑液体中的一个悬浮晶粒，在磁场作用下以角速度u发生平面转动．假设晶粒可以用一长椭球代表(球形晶粒和纤维属于其特例)，其短轴为a，长轴为c(易磁化轴)，如图1所示．以椭球中心0为原点，分别建立本体坐标系O-x’y’z’和绝对坐标系0-xyz，轴X’轴和y’轴分别取在a和c上，x轴取磁场H方向，c与H成夹角θ.图1晶粒在磁场作用下旋转的示意图根据刚体动力学Ta表达式表明取向时间与液相粘度成正比，与磁化率的差和磁场强度的平方成反比，随晶粒长径比增大而迅速增加。因此，要缩短织构相的取向时间，最好的办法是提高磁场强度，其次可适当升高温度以减小熔体粘度，如果织构为纤维增强相，应适当控制其长径比，如果织构为自生析出相，其长径比与其生长历史有关，人为控制的难度相应较大．因此提高磁场强度，可以显著缩短晶粒的取向时间．2.电流作用利用ZA42合金作为定向凝固试验材料，分析探讨直流电流使凝固方式产生反复的影响机理。试验采用在ZA42(Zn．42％A1，质量分数)二元合金的定向凝固过程中施加电流处理，利用圆棒试样在自制的定向凝固装置中以3mm／rnin的速度拉伸时，在试样的两端通不同大小的直流电流，研究直流电流对ZA42合金定向凝固方式及凝固组织的影响。在最终凝固样品的相同部位截取金相试样，纵向剖开，经过打磨、抛光和腐蚀后用金相显微镜进行组织观察。图1不同条件下ZA42合金的定向凝固组织图1显示的试验结果分别为无电流和电流为10A、30A、50A、80A时ZA42合金的纵向剖面凝固组织。由图可以看出，当施加的电流值较小时，合金凝固组织的树枝晶有一定程度的粗化(见图lb)。但是，随着电流的进一步增大，试样的凝固组织从明显粗大的树枝晶逐渐细化并产生端部圆化现象(见图1c)，转变为类似等轴晶组织(见图ld)，当电流继续增大时，凝固组织再次趋向于枝晶生长，并且组织得到细化(见图le)。电流强度通过影响凝固界面扰动频率∞来改变凝固组织的粗细，即电流强度的增加先使组织变得粗大，当电流强度超过临界值，木后，电流强度越大组织越细，直到电流过大，使已凝固固相发生重熔，凝固界面失去稳定性为止。因此，在本试验中，当电流强度为10A(图1b)时，由于电流强度小于临界值，凝固组织有一定程度的粗化，此后，随着电流强度值的增大，凝固组织得到越来越明显的细化。上述试验结果中，合金的凝固方式出现了反复，即明显粗大的树枝晶----近似等轴晶----卜细小枝晶，其原因可以从电流对形核条件的改变、过冷区域的变化以及溶质有效分配系数的改变等方面进行探讨。3.磁场作用朋纯铝(99.99％)和纯铜(99.99％)作为原料，采用感应熔炼的方法制备A1—20at％Cu台金。采用线切割法从合金铸坯上获取适合差热分析装置中的坩埚尺寸的试样。实验时，试样位于均匀磁场中通以高纯氯气以降低试样的氧化，在差热分析实验中，试样处理的温度区间为宝温-700℃．且加热炉以10℃／min的速率升温，以5℃／min的速率降温。实验装置由超导磁体，差热分析装置，程序控温仪组成。超导磁体能够产巾最高丛14T的磁场。热分析空验后获得的试样沿纵截面(平行磁场)，横截面切开。用XRD检测晶体学取向．用光学显微镜规察试样的宏观应微观组织。应用差热分析装置获得的差热分析曲线根直观的观察测到磁场对初生相形枝的抑制作用，微观组织的细化进一步证实了磁场对形核的抑制作刚。4.电流磁场复合作用静磁场复合直流在合金凝固时，向熔体中施加恒定直流电流的同时施加了一个与电流方向平行的稳恒磁场．考察在磁场作用下固相颗粒的迁移行为。实验结果表明：在同时施加静磁场时，合金凝固时析出的颗粒可以向阴极发生迁移。而单独施加磁场或施加电流不能使相颗粒迁移：当施加的电流密度一定时，偏移率随着磁感应强度的增大而增大；当磁感应强度一定偏移录率随着电流密度增大而增大。理论分析表明，电子流经相颗粒时形成的不对称涡旋流动导致了Ⅱ．Al相颗粒向阴极的定向迁移。强磁场与交变电流在合金凝固时，向熔体中施加恒定直流电流的同时施加了一个与电流方向平行的稳恒磁场．考察在磁场作用下相颗粒的迁移行为。实验结果表明：在同时施加静磁场时，合金凝固时析出的颗粒可以向阴极发生迁移。而单独施加磁场或施加电流不能使相颗粒迁移：当施加的电流密度一定时，偏移率随着磁感应强度的增大而增大；当磁感应强度一定时偏移率随着电流密度增大而增大。理论分析表明，电子流经相颗粒时形成的不对称涡旋流动导致了颗粒向阴极的定向迁移。电磁振荡研究了电磁振荡作用合金半连铸坯微观组织及溶质元素的晶内分布，对其细化、非枝晶组织形成及溶质元素晶内含量的影响机制进行了探讨．认为在电磁振荡作用下，熔体中结晶核心增加，游离晶粒的枝晶生长方式得到抑制是形成均匀细小的近球形和蔷薇形非枝晶组织的原因．并从电磁场改变合金凝固过程中的溶质分配系数、结晶间隔、液穴内部温度场、流动场以及微观组织形貌等方面出发，分析电磁振荡对溶质元素晶内含量的影响．电磁振荡法使得晶粒从结晶器壁游离数量增多；此外，电磁振荡力的反复拉伸与压缩作用，增加了熔体对高温固相化合物及准固相原子团簇的润湿，减少了以它们为基底的异质形核临界自由能，从而增加了液穴内部形核核心的数量．与此同时，振荡使熔体产生相当大的扰动，起着弥散合金元素，均匀温度场，加大熔体整体过冷度，增加并弥散形核核心，抑制枝晶生长的功能．电磁振荡使得液穴内部结晶核心增加，温度场和浓度场更趋均匀，溶质元素分配系数增大，结晶区间变小，枝晶生长的抑制作用加强等因素，是细化组织，提高溶质元素晶内含量的根本原因．电磁搅拌从搅拌对合金熔体运动状态的影响、低过热度浇注、弱电磁搅拌对形核的影响等角度对合金的凝固过程进行理论分析。分析结果表明，搅拌时液态熔体的切向速度分量占主导地位，轴向和径向分量与切向分量相比很小，可视为零；在低过热度浇注、弱电磁搅拌过程中，低过热度浇注直接导致形核率大幅增加、电磁搅拌间接导致形核率急剧增加。结论（1）提高磁场强度，可以缩短晶粒的取向时间（2）电流强度通过影响凝固界面扰动频率来改变凝固组织的粗细，即电流强度的增加先使组织变得粗大，当电流强度超过临界值后，电流强度越大组织越细，直到电流过大，使已凝固固相发生重熔，凝固界面失去稳定性为止（3）同时施加静磁场时，合金凝固时析出的颗粒可以向阴极发生迁移。而单独施加磁场或施加电流不能使相颗粒迁移：当施加的电流密度一定时，偏移率随着磁感应强度的增大而增大；当磁感应强度一定偏移录率随着电流密度增大而增大。（4）电磁振荡使得液穴内部结晶核心增加，温度场和浓度场更趋均匀，溶质元素分配系数增大，结晶区间变小，枝晶生长的抑制作用加强等因素，是细化组织，提高溶质元素晶内含量的根本原因1.CMOE法半连铸铝合金初凝壳与磁场强度的关系!2.磁场强度对半连铸铝合金液穴形状及凝固组织的影响3.直流磁场对!!#铝合金组织结构的影响,班春燕!韩!逸!龙春仙!巴启先!崔建忠（东北大学）4.电磁连铸AZ31镁合金的组织、性能和偏析.李伟轩1，张世斌1，邓康H，王业双2，徐河2，任忠鸣1(1．上海大学材料科学与工程学院，上海200072；2．北京维恩克科技集团临沂公司，山东临沂273400)5.电磁振荡对铝合金半连铸坯微观组织及溶质元素晶内含量的影响张勤崔建忠路贵民班春燕(东北大学材料电磁过程教育部重点实验室，沈阳110004)6.静磁场复合直流电流作用下A1．zn合金凝固时的相迁移阳祥富1，钟云波1，傅小明1，王江1，任忠鸣1，黄靖文2，雷作胜(1_上海大学上海打现代冶金与材料制备重点实验室，上海200072)(2．上海核威实业有限公司，上海201615)7.合金凝固过程中晶粒磁取向的动力学研究.张邦文任忠鸣王晖李喜壮云乾(上海大学上海市钢铁冶金重点实验室，上海200072)8.强磁场下电磁振荡对A卜si过共晶合金凝固中初生硅分布和形貌的影响.余建波任忠鸣任维丽邓康钟云波王洪亮(上海大学上海市钢铁冶企新技术应用开发重点实验室，上海200072)9.静磁场复合直流电流作用下A1．zn合金凝固时的相迁移阳祥富1，钟云波1，傅小明1，王江1，任忠鸣1，黄靖文2，雷作胜(1_上海大学上海打现代冶金与材料制备重点实验室，上海200072)(2．上海核威实业有限公司，上海201615)10.合金凝固过程中晶粒磁取向的动力学研究张邦文任忠鸣王晖李喜壮云乾(上海大学上海市钢铁冶金重点实验室，上海200072)11.强磁场下Al—Ni合金凝固初生相A13Ni的取向行为①李喜，任忠鸣，王晖，邓康，徐匡迪(上海大学材料科学与工程学院，上海200072)12.磁场对过共晶A1．cu合金凝固行为的影响至佳至，任忠呜+，仟维丽，邢康，钟石波上海大学材料科学与工程学院，上海大学J二海市现代冶余与材料制备实验室．上海大学13.低过热度浇注弱电磁搅拌下半固态Al一30Si合金凝固特性分析樊刚张家涛魏昶(昆明理工大学材料与冶金工程学院)14复合静磁场下2%0&合金凝固中的电迁移!楼!磊!钟云波!任忠鸣!阳祥富!邓!康!徐匡迪!上海大学上海市现代冶金与材料制备重点实验室#上海)***/)15.水平稳恒磁场对Al-Bi偏晶合金第二相分布的影响张林,王恩刚∗,王慧芹,康智强,左小伟,赫冀成(材料电磁过程研究教育部重点实验室，东北大学，沈阳110004)16.旋转磁场对Bi—In合金凝固微观组织的影响陈志1，陈长乐1，郝丽梅2，洪振宇1(1．西北工业大学理学院应用物理系，陕西西安710072；2．西安科技大学基础部，陕西西安710054)17.电流对ZA42合金凝固方式的影响万刚，武保林，赵玉华，姜耸(沈阳航空工业学院材料工程系，辽宁沈阳110034)18.电磁搅拌下半固态AI-30Si合金凝固特性分析樊刚张家涛魏昶(昆明理工炙学材料与冶金工程学院)19.强磁场下Ou-40wt％P