脉冲电流综述---PPT

1综述外场在材料加工中的应用；1.外场；在材料加工中引入外场以改善材料的微观组织，从而改变材料性能在材料加工中引入的外场中，主要有；电流、磁场、重力（微重力和超重力）、超声波等，1重力2超声波在金属凝固过程中引入超声振动，凝固组织从粗大的柱状晶变为均匀细等轴品，金属的宏观及微观偏析均得到改善。国外关于超声波对金属凝固组织影响的研究已有应用于生产的报道15]，但是国内这一领域的研究很少。高能超声处理合金熔体时，起主要作用的是声空化作用和声流作用。当台金熔体导入超声波以后，将产生声空化现象。在声空化泡形成长大过程中，其尺寸迅速增大，导致内部的液体蒸发。空化泡的增大和内部液体的蒸发会从周围吸收热量。这烤导致空化泡表面的金属液温度降低，造成局部过冷，因此在空化泡的附近形成晶核，使晶核的形核率增加。在空化泡崩溃过程中产生的强烈冲击波又会击碎正在长大的晶体，使之成为新的晶体质点。在声流的搅拌作用下，又使其弥散地分布于熔池熔体中。因此超声处理可显著细化金属凝固组织。图1表明，超声波可显著细化sn-sb合金凝固组织，并使具有立方体结构的小平面相B相呈球化趋势，彻底消除比重偏析口。图8表明，超声波可显著细化镁合金凝固组织。图9表明，超声波可使铸铁石墨组织变为粒状，这无疑将极大提高铸铁的力学性能。2为将超声波应用于钢的连铸生产中，见图2。研究表明，该方法可阻有效细化不锈钢凝固组织。图5为翟启杰等研究结果，表明超声波可细化T10钢凝固组织。在金属凝固过程中引入超声振动，凝固组织从粗大的柱状晶变为均匀细等轴晶，金属的宏观及微观偏析均得到改善。3磁场在材料加工磁场，与其它外场比较，有一个最大特点，即其非接触性，由于各相磁化率及介电常数不同，相变中施加磁场，会影响各相稳定性，从而改变不同相的形貌，材料在磁场中的引入，最先从普通磁场开始，并已进行了广泛的研究，目前，侧重于都材料在强磁场作用下的研究，外加磁场包括稳恒、交变和脉冲磁场。用于细化金属凝固组织的方法主要包括外加交变磁场和脉冲磁场。外加交变磁场即电磁搅拌，大量实践证明，电磁搅拌能细化金属凝固组织闭，磁场对金属凝固的影响将金属熔体置于强磁场下，将改变体系的能量状态，从而改变其溶质传输和结晶过程。如果3磁场是脉冲形式的，则会对熔体造成强烈的能量扰动，一方面金属熔体固液两相平衡温度会在熔点附近波动，另一方面脉冲磁场使熔体内产生脉冲涡流。涡流和磁场之间相互作用即产生洛仑兹力和磁压强，使金属熔体产生强烈振动。此外，脉冲磁场在熔体内造成了强迫对流。这些效应一方面增加了金属液凝固过程中的晶核，另一方面使凝固过程中树枝晶或难以长大，或被折断、击碎，成为新的晶核。脉冲磁场强度愈大。细化效果愈显著。图14、15、16为翟启杰等关于脉冲磁场对铝凝固组织影响的研究结果，可见脉冲磁场使铝的凝固组织由柱状晶变为100％细等轴晶。图15为脉冲磁场对灰铸铁石墨组织的影响，可见脉冲磁场可以显著细化灰铸铁石墨组织。图16为脉冲磁场对不锈钢凝固组织的影响，该图表明脉冲磁场使不锈钢一次枝晶变短。磁场对固态金属的影响；4固态相变马氏体转变铁素体、珠光体、贝氏体转变金属再结晶固态金属的晶粒细化、固态金属的热处理电流在材料加工中的应用；电流；外加电流包括直流、交流和脉冲电流。其中，外加脉冲电流因操作简便、能量利用率高、细化效果显著等特点逐渐成为国内外研究的热点直流电交流电电流对金属凝固的影响电流处理细化纯铝凝固组织的研究--崔衡，苍大强，宗燕兵，李玲珍，陈琳--(北京科技大学冶金与生态工程学院，在铝液中插入预热的石墨电极。在坩埚内进行直流电处理或电脉冲处理(作为对比．不进行电流处理的试样也按相同方式插入电极)；之后，将坩埚中处理过的铝液浇注到预热过的铜模。分析各试样纵截面的宏观组织变化。520世纪80年代，A．K．Mism在Pb—Sb—Sn三元合金的凝固过程中使用了电流技术，通过施加电流密度30~40mA／cm2、电压约30V的直流电流，得到了均匀细小的凝固组织。共晶片间距减小到原来的1／4，共晶团数量增加，这说明电流对形核和生长两个阶段都有作用。同样，把直流电流换成交流电流也可得到相同的结果(如图2)。。Misra认为电流影响了界面的稳定性，按照渗流理论的观点，电流会沿着具有最大电导的通路流过，因而在这些通路上产生更多的焦耳热使温度起伏加大[5，6]。Wheeler和Coriell等研究了在直流或交流电流作用下的定向凝固中金属界面的线性稳定性问题，他们认为，在Sn—Bi和Ge—Ga合金系中，电迁移性和电导性上的差异是决定界面稳定性的关键因素，而与焦耳热效应和Secbeck效应的关系不大。顾根大发现电流使A1．Cu共晶合金生长界面易于呈胞状生长，使胞状共晶团数量增加，尺寸细小。电流强烈改变Al—Si共晶生长形态，使之以亚共晶方式生长，使共晶硅片间距明显减小。他认为电流的焦耳热效应显著提高固液界面前沿的温度梯度，可改善连续铸锭的组织和性能。同时提出了电流作用下的界面稳定性动力学理论和修正的有效分配系数公式，并认为电流提高界面稳定性的主要原因是电场增大固液界面能和液相对流以及电流在干扰界面处产生偏聚。20世纪90年代，S.Ahmed等研究了直流电流作用下Ni基高温合金定向凝固过程和行为，发现直流电流密度为50～400mA／cm2时，凝固组织被显著细化，相呈弥散而细小的球状颗粒状，且均匀分布于v相基体上，凝固组织的偏析和孔隙率也减小，认为可能与外加电流对等离子体的作用有关[lo】。李辉等将Al一10％si亚共晶合金在电流密度为0．35～1．40A／cm2下通电处理50min，结果使其过冷度加大，力学性能大幅度提高，初生α-Al由树枝状变成颗粒状【IlJ。常国威等研究了直流电流对A1-Cu合金定向凝固时的一次柱状晶间距的影响，用回归的方法得到了电流密度与一次枝晶间距之间的定量近似表达式，证实电流密度越大则一次枝晶间距越小。同时推导出了电流作用下凝固界面形态稳定性的判据，认为电流通过提高固液界面能、增大固液两相电流产生的Joule热的差值、提高温度梯度的途径使界面稳定性增加[121。62脉冲电流凝固技术；电流对液态金属主要有以下作用：电传输效应、Jouler效应、Peltier效应、起伏效应、趋肤效应、电磁力效应、磁致收缩效应等。这些效应可以改变液体金属凝固时的传热、传质和动量传输过程，进而影响金属的凝固组织及其形态和成分分布等。采用脉冲电流处理液态金属，一方面可以减小电流细晶技术应用中电路负荷过大的问题，另一方面可减小电流在液态金属中产生的焦耳热，并有效地利用脉冲电流对金属液的扰动作用。脉冲电流对物态变化有重大影响的事实屡见报道．如对金属凝固、裂纹扩展”、塑性变形、非晶晶化等．但其影响机制尚不清楚”电流对固态金属的影响；金属的时效过程影响金属再结晶非晶合金的晶化固态金属的热处理1984年印度学者Misra等首次在Pbl5Sb7Sn合金凝固过程中使用了脉冲电流，其电流密度为30~40mA／cm2。经电脉冲处理过的凝固组织明显得到细化，1990年，M.Nakada等首次使用脉冲电流作用于Sn-Pb合金的凝固过程，发现凝固组织中柱状晶变成球状等轴晶。Nakada等在冷却速率为6K／min时研究了高密度脉冲电流对过共晶Snl5Pb合金的凝固过程的影响，所用电容器的充电电压为3kV，发现树枝晶转变为等轴晶脉冲电流在材料加工中的应用；研究脉冲电流的通电方式主要有两种：一是将引入脉冲电流的两个电极平行w或呈一定角度8插入熔体中通电处理；二是将两个电极分别放置在熔体的两端。进行通电处理。两种电极通电方式均能显著细化金属凝固组织。从工业应用角度讲，平行电极安装和操作比上下电极方便很多。JieLi等|15研究脉冲电流对纯铝凝同组织的影响后发现，平行电极的细化效果要优于上下电极(表1)。7------试验研究中，研究者选择有代表性的试验金属，以求对其他金属有参考意义，从低熔点到高熔点及单元单相到多元多相的原则，考虑工程实用性，对纯金属、二元合金和多元合金都进行了探索性研究。对纯金属，主要选择纯铝开展研究对二元合金，主要选择低熔点、便于开展试验研究的Pb—sn合金和较高熔点、工业上广泛应用的A1-Si、A1-Cu合金等结构材料开展研究高熔点的高锰钢、碳钢、轴承钢、螺纹钢、电工钢、不锈钢和铸铁来开展研究脉冲电流作用于液相金属王建中等；--孕育处理-------并对纯铝、纯铜、Al一Si合金、Al一Cu合金、高碳钢、电工钢等，进行了试验研究。王建中、苍大强等首次将脉冲电流引入熔点以上尚未凝固时的Al一5．0％Cu合金熔体中，铸锭凝固后，柱状晶区缩小、等轴晶区扩大，晶粒得到很大程度细化。同时发现处理后的溶液具有良好的抗孕育衰退能力。之后，王建中等展开了一系列脉冲电流孕育处理金属熔体及其遗传行为的研究，所得金属凝幽组织均有不同程度的细化。他们认为电脉冲处理对金属熔体具有显著的孕育效果，促进形核率的增加，因而使等轴晶区扩大，晶粒细化。电脉冲作用下铝熔体的遗传表征王建中，齐锦刚等(1．辽宁工学院；2．北京科技大学)8何力佳、王建中，(1．北京科技大学2．辽宁工学院：研究了在过热A1．22％Si合金熔体中施加电脉冲对其凝固组织的影响，考察了电脉冲频率、作用时间对初生相形态的影响规律。结果表明，经电脉冲孕育的合金凝固组织明显细化，初生硅相由花瓣状向块状转变；初生相凝固点下降了16．78℃，反应焓值降低了4．1J／kg。理论分析表明外场作用下铝硅合金熔体中的大尺度硅团簇发生裂解，从而提高了熔体均匀程度。9王建中等；Al一Si合金---过共晶ks28210王冰、王建中、曹丽云等(1．北京科技大学冶金与生态工程学院研究了不同的过热度对电脉冲孕育处理AI一5％Cu合金凝同组织的影响。实验结果表明：不同的过热度下对AI．5％Cu合金进行电脉冲处理，合金凝同组织均得到一定程度的细化，但过热度不同时细化效果不同。一定温度范围内．电脉冲孕育处理细化的效果最好，并分析了过热度影响电脉冲孕育处理AI-5％Cu合金凝同组织的机制刘兴江、王建中等(1．北京科技大学，2．辽宁工学院将纯铜在液态下进行电脉冲处理。然后冷变形成板材试样数个分别进行不同温度下的退火时间处理，研究了脉冲电场作用对纯铜再结晶温度的影响，并对纯铜的显微组织、硬度一温度曲线进行了研究。结果表明：经电脉冲处理的纯铜再结晶过程向高温区推移，使纯铜的热稳定性、耐热性能得到了改善。11王冰，王建中，等(1．辽宁工业大学材料与化学工程学院，辽宁锦州121001：2．北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083)考察了不同电脉冲孕育处理参数对A1-Cu-Mn合金时效过程的影响，结果表明：电脉冲孕育处理加速了A15-Cu-Mn合金时效进程，缩短了时效时间，使合金最大显微硬度较未处理试样提高了13％～17％；但不同的电脉冲参数影响时效过程的程度不同，一定范围内，500V电压，30s处理时间，频率为3Hz的电脉冲参数在740C处理时，合金时效后的显微硬度最高。唐勇[99年]在王建中的基础上，做了更进一步的工作。对T8钢液和9Cr2MoV钢液施以脉冲电流，脉冲频率为1Hz，本试验在某厂的500kg中频感应炉中进行，试验装置示意图见图1，发现脉冲电流的主要作用是减小柱状晶的尺寸(如图4)和改善珠光体的形貌，使珠光体片层间距减小，钢锭宏观元素偏析程度有所改善，数学推导表明，脉冲电流作用后，过共析钢中c元素的扩散系数提高为原来的两倍。薛庆国，王建中等；在重钢150mm×210mm方坯连铸时对中间包电工钢钢水连续进行电脉冲孕育处理的试验表明，对钢水实施电脉冲孕育处理后，连铸坯等轴晶比例从未经处理19％提高到88％，未经12处理铸坯存在大量粗大柱状晶，处理后铸坯组织主要为细小等轴晶，并消除了晶间裂纹，因此电脉冲孕育处理显著改善了铸坯组织。王静松、王建中等[1]北京科技大学冶金学院，铸铁铁液经过脉冲电流处理后，在凝固过程中发生了石墨化转变(如图5)，在相同参数脉冲电流作用下，处理时间长，有利于石墨化转变的进行，原铁液中的硅有利于缩短处理时间。他们分析认为，脉