（钢铁冶金专业论文）脉冲磁致振荡凝固细晶技术基础研究.pdf

上海大学博十学位论文 脉冲磁致振荡凝固细晶技术基础研究 摘要 本文提出了一种全新的凝固组织细化技术脉冲磁致振荡凝固细晶技术。采用 自行研发的脉冲磁致振荡实验系统和e m v 定向凝固实验台，结合微分热分析技术， 全面研究了脉冲磁致振荡对金属凝固组织和凝固行为的影响，获得了脉冲磁致振荡细 化金属凝固组织的作用规律，揭示了脉冲磁致振荡细化金属凝固组织的本质。 应用经典电动力学理论及声学理论分析了脉冲磁致振荡作用下纯金属的凝固过 程，提出了脉冲磁致振荡下液态金属凝固过程及凝固组织细化模型。脉冲电磁场与其 在金属熔体表面产生的感应电流共同作用，产生洛伦兹力厂= j b ，该力垂直于试样 侧表面而指向试样轴心。由于电流的“趋肤效应”，凝固表面发生振荡。同时，由于固 相电导率成倍增加，感应电流在晶核中强度增加，由此在晶核上产生一个由外向里的 力，该力将促使从凝固表面脱落的自由晶核向熔体运动。当晶核运动到一定深度离开 了趋肤效应区后，由于运动速度减慢而聚集，原来尺寸较小的晶核就可能形成多孔组 织。当该组织的尺度与脉冲磁致振荡的振动波长相当时，它会反射脉冲磁致振荡产生 的振动波，而获得相应的压力并使晶核得以继续向熔体内部运动。当晶核运动到熔体 内部时，由于周围液体温度较高，可能被熔化为若干更小的晶核，由此增加了液态金 属中晶核的数目，从而形成等轴晶组织。 系统研究了浇注后不同冷却阶段脉冲磁致振荡处理对纯铝凝固组织的影响。实验 结果显示，在脉冲磁致振荡孕育处理、脉冲磁致振荡凝固处理以及脉冲磁致振荡全程 处理三种技术条件下，后两者对纯铝组织的细化效果较佳，可以获得细小等轴晶。通 过隔离网实验发现，明显的组织细化效果出现在靠近处理表面的隔离网外区域，而隔 离网内熔体的凝固组织没有明显变化。由此得出振荡细化核心的来源是振荡处理时从 处理区域表面的型壁上异质形核后脱落的晶核，也即振荡产生的结晶雨作用。通过系 统的实验建立了平均晶粒尺寸与脉冲磁致振荡参数的定量关系，证明脉冲磁致振荡的 表面振动以及振荡波的传播所产生的声压是晶核迁移的动力。通过对不同屏蔽条件的 上海入学博士学位论文 熔体施加脉冲磁致振荡，发现当凝固外壳或铸型的电导率较凝固熔体小时，其对脉冲 磁致振荡的屏蔽作用是较小的，当凝固外壳或铸型的电导率较凝固熔体大时，将对脉 冲磁致振荡形成一定的屏蔽作用，但如果适当提高脉冲磁致振荡的处理强度，也能产 生较好的细化效果。 研究表明，脉冲磁致振荡能够明显细化锡锑合金的凝固组织，使晶粒尺寸变小， 同时减弱了宏观偏析。对脉冲磁致振荡作用下锡锑合金凝固组织中口相的研究表明， 铸锭中的卢相在脉冲磁致振荡作用下尺寸变小，而且脉冲磁致振荡强度越高，晶粒尺 寸减小越显著，晶粒数量增多，分布弥散。说明脉冲磁致振荡可以促进晶核增殖，从 而大大细化组织。 脉冲磁致振荡对铁素体不锈钢凝固组织具有显著细化作用。在一定的范围内增大 处理频率和强度参数，脉冲磁致振荡对铁素体不锈钢凝固组织的细化效果及等轴晶区 面积迅速递增。在适当的参数条件下等轴晶区比例可以达到1 0 0 。当脉冲磁致振荡 参数过大时，由于焦耳热过大，铁素体不锈钢凝固组织细化效果反而变差。 通过脉冲磁致振荡作用下的定向凝固实验研究，发现在同一温度梯度和晶体生长 速度下，随着磁致振荡强度的增加，铝铜合金定向凝固组织中的柱状晶数增多，柱状 晶一次枝晶间距变小。实验发现，脉冲磁致振荡可以加速固液界面的平界面j 胞状界 面j 胞枝界面的转化。分析认为导致界面失稳的主要原因是由脉冲磁致振荡产生的剪 切力对柱状晶的作用。 关键词：脉冲磁致振荡，凝固组织，晶粒细化，细化机理，晶体形核和长大 上海人学 尊七学位论文 e n t a lr e s e a r c ho nr e f i n e m e n to fs o l i d i f i c a t i o ns l r u c t l l i e o fm e t a l su n d e rp u l s e m a g n e t oo s c i l l a t i o n a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , an e wd e v e l o p e dt e c h n i q u e ，p u l s em a g n e t oo s c i l l a t i o n ( p m o ) ，w a s i n t r o d u c e d t h ee f f e c t so fp m oo nt h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e sa n db e h a v i o ro fm e t a l sw e r e s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e db ye m p l o y i n gt h e r m a la n a l y s i sa n dd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o nt e c h n i q u e s t h ee x p e r i m e n t a ld e v i c e sw e r e c o m b i n e dw i t ht h es e l f - d e v e l o p e df a c i l i t i e si n c l u d i n gh i g hv o l t a g e p u l s ep o w e rs o u r c e ，s o l i d i f i c a t i o nt e s t e ra n de m vd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o nd e v i c ee t c a sar e s u l t ， t h er e g u l a r i t yo fs t r u c t u r ee v o l u t i o nu n d e rt h ei n f l u e n c eo fp m ow a so b t a i n e d ，a n dt h em e c h a n i s m o fs t r u c t u r er e f i n e m e n tw a sd i s c u s s e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fs o l i d i f i c a t i o np r o c e s so fp u r em e t a l sb yc l a s s i c a le l e c t r o d y n a m i c sa n d a c o u s t i c s ，t h em o d e la b o u tt h em o l t e nm e t a l sa n dm e c h a n i s mo fs o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r er e f i n e m e n t u n d e rp m ow a sp r e s e n t e d g e n e r a l l y , l o r e n t zf o r c ef = j bc a l lb eg e n e r a t e dd u et ot h e c o m b i n e de f f e c t so fp u l s e dm a g n e t i cf i e l da n dt h ei n d u c e dc u r r e n t t h i sf o r c eo r i e n t sf r o mt h e s u r f a c et ot h ei n s i d eo ft h es p e c i m e n ，c a u s i n ga l li n t e n s eo s c i l l a t i o no nt h es u r f a c eo fm e l to n a c c o u n to ft h e “s k i ne f f e c t ”o fc u r r e n t m e a n w h i l e ，ap u l s e df o r c ef r o ms u r f a c et oi n s i d ew a s p r o d u c e do nt h en u c l e u so w i n gt ot h ee x t r e m e l yh i g hd i f f e r e n c eb e t w e e nc o n d u c t a n c eo ft h es o l i d a n dl i q u i do ft h em e t a la n dt h e r e b ya l li n c r e a s eo ft h ei n d u c e dc u r r e n ta p p e a r e d a sar e s u l t ，t h e f r e en u c l e u sf e l lf r o mt h es u r f a c ew e r ef o r c e dt om o v ei n s i d e w h e nt h eo r i g i n a ls m a l ln u c l e u s m o v e dd e e p e re n o u g ho u to ft h ea r e ao ft h e “s k i ne f f e c t ”a r e a ，t h e ym o v e ds l o w l ya n dg o tt o g e t h e r t of o r mt h en u c l e u sc l u s t e r sw i t hm a n yh o l e s a st h es i z eo ft h e s en u c l e u sc l u s t e r se x c e e d s e x c e e d e ds o m ec r i t i c a ls i z ew h i c hi sw a sb i g g e re n o u g ht or e f l e c tt h eo s c i l l a t i o nw a v e ，n u c l e u s c l u s t e r sc o u l db ef o r c e dt om o v ei n t ot h em e l tb yt h ep r e s so ft h ew a v e w h e nt h en u c l e u sc l u s t e r s r e a c h e sr e a c h e di n s i d eo ft h em e l t ，i tm i g h tb em e l ti n t os o m es m a l l e rn u c l e u sb e c a u s eo fa r o u n d h i g h e rt e m p e r a t u r eo ft h em e l ta r o u n di ta n dt h e r e f o r et h en u m b e ro ft h en u c l e u si nt h em e l tw a s i n c r e a s e da n de q u i a x e dc r y s t a l sw e r ef o r m e d t h ep m ow a sa p p l i e da tt h r e ed i f f e r e n ts t a g e sd u r i n gt h ec o o l i n gp r o c e s so fa l u m i n u mm e l t ， - i i i - 上海人学博+ 学位论文 i e i n c u b a t i o np e r i o d ，s o l i d i f i c a t i o ns t a g ea n dw h o l ec o u r s ef r o mm e l tt ot o t a ls o l i d t h er e s u l t s s h o w e dt h a to p t i m u mr e f i n e m e n tw a sa c h i e v e db ys e c o n da n dt h i r dp r o c e s s e s ，w i t hac h a n g ef r o m c o a r s ec o l u m n a rc r y s t a l st of i n ee q u i a x e do n e s i nt h ee x p e r i m e n tw i t hs t a i n l e s ss t e e ln e ti nt h e m e l t ，t h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r er e f i n e m e n ta p p e a r e db e t w e e nt h es t a i n l e s ss t e e ln e ta n dt h e s u r f a c e ，b u ti n s i d et h es t a i n l e s ss t e e ln e tt h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ew a sc o s r s ec o l u m n a rc r y s t a l s i tw a sd e e m e dt h a tt h er e a s o no fs o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r er e f i n e m e n tw a st h ei n c r e a s i n go fn u c l e u s i n s i d et h em e l tw h i c hf e l lo f ff r o mt h em o u l dw a l li n t ot h es u r f a c en e a rt h ep l a c et r e a t e db yp m o ， i e c r y s t a lr a i ne f f e c tw a sp r o d u c e db yt h eo s c i l l a t i o n b a s e do na n o t h e rs y s t e m i ce x p e r i m e n t a l r e s u l t ，t h eq u a n t i f i c a t i o n a lr e l a t i o nb e t w e e nt h ea v e r a g eg r a i ns i z ea n dt h ep m op a r a m e t e r sw a s e s t a b l i s h e d i tw a sf o u n dt h a tt h ep r e s sp r o d u c e db yo s c i l l a t i o nw a v er e s u l t e df r o mt h es u r f a c e o s c i l l a t i o no ft h ep m o p r o m o t e dt h en u c l e u si n s i d e i nd i f f e r e n ts h i e l dc o n d i t i o ne x p e r i m e n t s t r e a t e db yt h ep m o ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es h i e l de f f e c tw a sl e s sw i t ht h es m a l l e r c o n d u c t a n c eo fm o u l da n dg r e a t e rw i t ht h eb i g g e rc o n d u c t a n c e o fm o d e lt h a nt h em e l t e dm e t a l ， b u tt h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ec o u l db er e f i n e di ft h ei n t e n s i t yo ft h ep m ow a si n c r e a s e d i tw a ss h o w nt h a tt h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ew a so b v i o u s l yr e f i n e da n dt h em a c r o - s e g r e g a t i o n w a si m p r o v e db yp m ot r e a t m e n t t h es t u d ya b o u tt h ee f f e c to fp m oo nt h e8p h a s eo ft h e s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eo fs n 10 4 s bi n d i c a t e dt h a tt h es i z eo ft h e _ bp h a s ei nt h ec a s ti n g o t d i m i n i s h e d c l e a r l y , t h em o r ei n t e n s i t yo ft h ep m o ，t h em o r eo b v i o u s l yd i m i n i s h e de f f e c tw a s a c h i e v e d i ti sr e a s o n a b l et oc o m et ot h ec o n c l u s i o nt h a tt h ep m 0c a l lb r e a kt h ed e n d r i t ea n d m u l t i p l yt h en u c l e u s ，a n dt h e r e f o r el a r g e l yr e f i n es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e i nn o r m a ls o l i d i f i c a t i o nc o n d i t i o n ，p m oc a no b v i o u s l yr e f i n et h em a c r o s t r u c t u r eo ff e r r i t e s t a i n l e s ss t e e l w h e nt h et r e a t m e n tf r e q u e n c ya n di n t e n s i t yo fp m ow a si n c r e a s e dt h es i z eo f e q u i a x e dg r a i n sw a sc o l l r e s p o n d i n g l yd e c r e a s e da n dt h ee q u i a x e dg r a i na r e aw a si n c r e a s e d i na n o p t i m a li n t e n s i t ) ，r a n g e ，t h ep r o p o r t i o no ft h ee q u i a x e dg r a i n sc a nr e a c ha sh i g ha s10 0 t h e m a c r o s t r u c t u r eb e c a m ec o a r s ea g a i nw h e nt h ei n t e n s i t yo fp u l s em a g n e t oo s c i l l a t i o nw a s r e a s o n a b l yi n c r e a s e db e c a u s et h ej o u l eh e a r tp r o d u c e db yp u l s em a g n e t oo s c i l l a t i o nw a gt o om u c h t os o l i d i f y b e s i d e s ，t h ed i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o nu n d e rt h ee f f e c to fp m ow a sc a r r i e do u t a st h ei n c r e a s e o fm a g n e t i ci n t e n s i t y , t h ea m o u n to fg r a i n sw a si n c r e a s e da n dt h es p a c eb e t w e e nt h ef i r s td e n d r i t e a 咖s p a c i n go f c o l u m n a rg r a i nw a sd e c r e a s e da tag i v e nt e m p e r a t u r eg r a d i e n ta n dc r y s t a lg r o w i n g - i v - 上海大学博十学位论文 r a t e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep m oc o u l da c c e l e r a t et h et r a n s f o r m a t i o no ft h el i q u i d s o l i d i n t e r f a c ei nt h em o d eo fp l a n ei n t e r f a c e j c e l li n t e r f a c e j c e l l d e n d r i t ei n t e r f a c e i tw a sd e e m e d t h a tt h i st r a n s f o r m a t i o nw a sr e s u l t e df r o mt h ee f f e c to fc u tf o r c eo fp m oo nt h ec o l u m n a rg r a i n s k e y w o r d s ：p u l s em a g n e t oo s c i l l a t i o n ；s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e ；g r a i nr e f i n e m e n t ，r e f i n i n g m e c h a n i s m ，c r y s t a ln u c l e a t i o na n dg r o w t h - v - 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了 文中特 i i j j j h 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过 的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：蔓边日期：叫 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论 文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盟导师签薯- 咝目期： 上海人学| 孳十学位论文 本文的主要创新点 本文提出了一种新的金属凝固组织细化技术脉冲磁致振荡凝固细晶新技 术，并利用热分析和定向凝固方法，系统考察了不同脉冲磁致振荡参数下金属的 凝固组织和凝固行为，揭示脉冲磁致振荡对金属凝固组织的影响规律和机制。 上海人学博士学位论文 第一章资料综述 细化金属凝固组织有利于提高金属的综合性能。针对凝固组织的细化，传统 的方法是孕育、变质处理、微合金化和物理搅拌等。随着凝固技术的不断发展， 许多新兴的凝固组织控制工艺应运而生，物理场处理便是其中之一。现有研究表 明，物理场处理对金属凝固组织和固态相变的影响非常显著，并己取得突破性进 展。发现了一系列常规材料成形与加工过程中不可能出现的新现象并产生了一些 新技术【l 。5 】。同时，环境意识的提高呼唤绿色材料制备技术的诞生，而物理场处理 能在节能节材的条件下，减少对环境和材料本身的污染，从而实现材料的清洁化 加工和循环利用。 目前使用的物理场主要有电流、磁场、振动以及微重力和超重力场等，电流、 磁场和振动又可分为连续方式和脉冲方式两类。这些物理场能不同程度地改善金 属凝固组织，只是其对溶体的作用机理有差异。本文受本团队前期研究的启发， 提出了脉冲磁致振荡凝固细晶新技术，利用热分析技术和定向凝固技术，系统考 察了不同脉冲磁致振荡参数下金属的凝固组织和凝固行为，并揭示脉冲磁致振荡 对金属凝固组织的影响机制。 1 1 金属凝固细晶方法 实现对金属凝固过程和凝固组织的控制是冶金及材料工作者长期追求和奋斗 的目标。凝固组织细化可减少材料缺陷和提高材料力学性能，而对金属和合金材 料凝固组织的细化，主要是基于以下的基本原理：增加液相中的形核质点，提高 形核率；降低晶核的长大速度或抑制晶核的长大；控制结晶前沿的温度分布等。 目前金属凝固细晶方法大体可以归纳为以下几类【6 】：( 1 ) 浇注过程和传热条件控 制方法1 7 l ；( 2 ) 化学处理方法【8 】；( 3 ) 微区成分扰动生核处理方法【9 】；( 4 ) 机械和 物理场处理方法。 上海大学博十学位论文 1 1 1 浇注过程和传热条件控制方；去【7 】 这类方法包括浇注过程控制技术、低温浇注、提高冷却速度和增加过冷度等。 在铸件浇注过程中，液态金属在铸型型壁的激冷作用下大量形核，而后被冲 击液流带入液相区，并发生增殖。若这些晶核在液相过热热量完全散失后尚未被 完全熔化，则可能成为后续凝固的结晶核心。因而通过控制浇注方式，进行缓慢 浇注，使液态金属连续地冲击铸型壁，则可提供大量的结晶核心。 除了控制浇注方式以外，降低浇注温度也是细化晶粒的有效途径。降低浇注 温度能够扩大等轴晶区，使晶粒细化，被认为是易于产生爆发式形核的缘故。在 接近于液相线温度下浇注是细化凝固组织、扩大等轴晶区的有效方法。在连铸生 产上，低温浇注已成为人们的共识，然而降低浇注温度受到其他条件的限制，如 必须保证金属液的流动性，并且受到设备条件、控制环节等因素的制约。 提高冷却速度可明显细化金属的凝固组织，达到非常好的细化效果，甚至得 到微晶或纳米晶。但对于大尺寸铸件，获得很大的冷却速度是非常困难的。目前 提高冷却速度只能靠提高铸型或结晶器的激冷能力，且模壁的激冷作用只产生于 铸锭的表面，所以对断面较大或导热性较差的金属，反而会造成较大的温度梯度， 导致柱状晶发达，得不到理想效果。故这种方法对于大体积金属熔体不适用。 去除液相中的异质晶核，抑制低过冷度下的形核，使合金液获得很大过冷度， 并在大过冷度下突然大量形核，可获得细小等轴晶组织。但这种方法较难控制， 对污染非常敏感，目前还难以在商业化生产中使用。 1 1 2 化学处理方法 化学处理方法主要是孕育处理和变质处理，也就是向液体中添加少量特殊的 化学元素。这类元素分为促进形核剂和阻碍生长剂两种，一般称为孕育剂或变质 剂，来促使熔体内部的非均质生核及抑制晶粒的长大。铝合金中常用的晶粒细化 剂或变质剂有t i 、z r 、t i + b 、t i + c 、t i b a i 、t i a i 、t i c a i 等。铸铁中的孕育剂 和变质剂有硅铁、镁、稀土硅铁等。由于钢的熔点较高，给其孕育剂的选择带来 很大困难，钢中的变质剂有t i n 、z r n 、t i c 、z r c 等高熔点氮化物和碳化物，这 类孕育剂虽然改善了一次组织，但也常常导致钢的塑性降低哺j 。 添加阻止生长剂以降低晶核的长大速度，使形核数量相对提高，获得细小的 上海入学博士学位论文 等轴晶组织。这种方法的细化效果相对较差，有增大偏析倾向，易在金属中形成 低熔点共晶相【8 1 。 关于细化剂或变质剂的作用机理有多种，如：界面能或接触角理论，点阵类 型相似理论，静电作用理论，偏析系数理论，热电效应理论等【l o ，l l 】。 化学处理方法目前在工业上应用最广，研究工作也最多，是普通铸件获得细 晶组织的常用方法。但是依靠向熔体中添加晶粒细化剂的方法，不仅成本高，而 且有时因外来质点的加入，使金属中异质颗粒、夹杂增多，结果反而导致塑性降 低，力学性能下降。 1 1 3 微区成分扰动生核处理方法 尽管化学处理方法在金属材料生产中发挥了重要作用。但是，由于这些处理 方法影响了金属液的洁净度，难以满足现代高洁净钢生产的要求。翟启杰等人【9 】 运用热力学理论提出了微区成分扰动生核处理的新构想。这种方法是向金属液中 加入与金属液溶质含量不同的微量同类金属，从而在金属液中造成特定的“成分起 伏”。这些起伏的引入降低体系生核所需要的能量，促进金属液生核。他们以轴承 钢和q 2 3 5 钢为实验材料，采用同时浇注分流充型的实验方法对其进行了实验验 证。研究结果表明，在钢液中造成了一定方向和程度的成分起伏，可以促进钢液 生核，从而增加铸坯中等轴晶数量。 1 1 4 物理处理方法 物理细化法主要是采用机械力或电磁力引起液相和固相的相对运动，导致枝 晶的破碎或枝晶与铸型分离，在液相中形成大量结晶核心，达到细化晶粒的效果 【1 2 1 4 】。常用的机械力细化方法主要有对金属熔体搅拌、铸型振动等【i5 1 。物理场处 理方法是在金属凝固过程中给金属熔体施加选定的物理场如电流、磁场【1 6 , 1 7 】、超 声波1 8 2 0 1 等，利用金属熔体和物理场的相互作用，改善其凝固组织【2 l 2 2 1 。 采用机械搅拌、电磁搅拌或气体搅拌等方法均可造成在液相和固相之间产生 不同程度的相对运动，即液态金属的对流运动，从而引起枝晶臂的折断、破碎和 增殖，达到细化晶粒的目的。机械搅拌和电磁搅拌不仅可以使凝固后的晶粒得到 细化，而且还可使凝固区的晶粒球化，这样可以获得流动性很好的半固态金属， 从而可以进一步进行半固态铸造或半固态挤压。但电磁搅拌也存在一些问题，如 上海大学博十学t = 论文 设备复杂，电能效率低，二冷区搅拌尽管能扩大等轴晶区却有产生负偏析的趋势 垄奎【2 3 ，2 4 】 寸。 如果在凝固过程中振动铸型，则可使液相和固相发生相对运动，导致枝晶破 碎而增加结晶核心。同时，振动铸型还可促使“晶雨”的形成。由于晶雨来源于液 态金属的表面凝固层，当液态金属静止的时候，自由表面凝固的结晶壳就不能下 落，而铸型的振动却可使凝固壳中的枝晶破碎、下落，从而形成“晶雨”。这类方 法设备一般比较复杂，要求使用金属型【2 5 砣7 1 。 物理场处理细晶技术是指在液态金属凝固过程中给金属熔体施加选定的电 流、磁场或超声波( 如：直流电流或磁场，交流电流或磁场，脉冲电流或磁场以 及连续或脉冲超声波等) 来改善金属凝固组织和性能的方法，由于其具有无污染、 操作方便、效果显著等优点，显示出十分广阔的应用前景。目前越来越受到材料 工作者的重视，日益成为人们的研究热点。 1 2 金属在物理场中的凝固 金属在外加电场、磁场或超声波作用下凝固时，其凝固过程将发生较大变化。 根据金属凝固的具体条件不同，电场、磁场或超声波对金属材料的作用也有区别。 从近二十年的研究可以看出，在金属凝固过程中主要采用了稳恒电流、静磁场或 连续超声波，交变电流或磁场以及脉冲电流、磁场或超声波等【2 8 j 处n - r _ 艺来改变 金属熔体内的对流及溶质传输行为，进而改变金属凝固组织。 1 2 1 金属在电流作用下的凝固 金属材料在电流作用下的凝固行为研究可以追溯到1 9 世纪。物理学家 g e r a r d i n 在金属液两端通以直流电时，首先发现液体金属中的离子在电流作用下 发生定向迁移现象。结合电磁学和金属熔体理论，可知电流通过液态金属时会产 生一系列作用，主要有以下几个方面：电迁移效应、j o u l e 效应、p e l t i e r 效应、起 伏效应、趋肤效应、电磁力效应、电子风作用等【2 9 3 1 1 。它们影响液体金属凝固时 的传热、传质和动量传输过程，因此可以改变金属的凝固组织及其形态、成分分 布等【3 2 , 3 3 l 。 国内外学者采用直流电流、交流电流以及脉冲电流处理金属熔体，从低熔点 上海人学 尊+ 学位论文 的锡铅合金、较高熔点的铝铜合金到高熔点的钢铁材料，进行了大量的研究工作， 取得了许多研究成果【3 4 3 6 1 。虽然该领域的研究国外起步较早，但近年来国内学者 在该领域的研究较多，特别是在脉冲电流凝固细晶技术以及对钢铁材料等高熔点 合金的研究方面，已走在了世界的前列。 1 2 1 1 稳恒和交变电流凝固技术 2 0 世纪6 0 - 7 0 年代，国外许多学者进行了电流凝固技术方面的研究工作【3 5 1 。 通过测量不同温度、不同浓度的液态s n b i 合金的电传输和电阻率，发现溶质b i 在液体中电传输系数是温度和浓度的函数，电阻亦随温度和浓度变化【3 6 1 。a s a i 等 【”】报导了s n p b 合金在高密度的直流或交流电场中的宏观凝固组织得到细化，认 为电流通过凝固样品时会产生感应磁场，并与电场交互作用产生电磁力，从而使 熔体在电磁力的作用下发生流动，导致其宏观凝固组织细化【3 8 】。 2 0 世纪8 0 年代，a k m i s r a 3 9 】在p b s b s n 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3 0 4 0 m a c m 2 、电压约3 0 v 的稳恒电流，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，把稳恒电流换成交变电流也可得到相同 的结果。图1 一l 为p b s b s n 合金在电流处理后与未处理时的凝固组织。m i s r a 3 9 , 4 0 】 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。w h e e l e r 和 c o r i e l l 等【41 , 4 2 】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s n b i 和g e g a 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s e c b e e k 效应的关系不大。顾根大 【4 3 悛现电流使a 1 c u 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a 1 s i 共晶生长形态，使之以亚共晶方式生长，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，以及电流在于扰界面处产生偏聚。 t 海人学博 学位论文 黼 a ) 未经l u 流址理( b ) 经过l b 流处理 削i - l 电流处理前后m s k s n 合金凝蝌组纵啪】 2 0 世纪9 0 年代，s a h m c d 等【“舢1 研究了直流电流作用下n i 基高温台金定向 凝固过程和行为，发现直流电流密度为5 0 4 0 0 m a c m 2 时，凝固组织被显著细化， y 相呈弥敞而细小的球状顾粒状，且均匀分布于v 相基体上，凝固组织的偏析和 孔隙牢也减小，认为叫能与外加电流对等离子体的作日有关。李辉等【4 6 】将 a 1 1 0 s i 弧共品合余在电流密度为03 5 l4 0 a c m 卜f 通电处理5 0 分钟，结果使 其过冷度加大，力学性能大幅度提高，初生一a i 由树枝状变成颗粒状。常国威等 ”研究了直流电流对a 1 一c u 合金定向凝固时的一次柱状晶间距的影响，h j 回归方 法得到了电流密度与次枝晶间距之问的定量近似表达式，证实电流密度越太则 一次枝晶日j 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掘，认为 电流通过提高固液界面能、增大固液两相电流产生的j o u l e 热的差值、提高温度 梯度的途径使界面稳定性增加。 2 12 脉冲电流凝固技术 脉冲屯流对金属凝固组织影响的研究t 作，是近年来新兴的研究方向。它可 以通过功率较低的设备实旄6 j 歇式大能量输出，目前已成为电流凝固技术的新亮 点。 2 0 世纪9 0 年代初期，m n a k a d a 和mcf l e m i n g s t 拈瞎首先研究了脉冲电流作 用下s n 一1 5 p b 合金的凝固过程，发现在凝固的起始阶段施加脉冲电流，可使凝 固组织中的初生相由树枝状变为球状。此外还发现初生相的形貌不仅与脉冲电流 的初始峰值电压有关，还与台会液中的固相分数及冷却速度有关。他们观察到施 加脉冲电流时金属液面出现了波动，认为足脉冲电流放电产乍收缩力的缘故。在 金属液内1 i 同的位置这种收缩力大小是小一样的，从而使得熔体小同位置的流动 一6 一 上海人学博十学位论文 速度存在差异。根据牛顿粘性定理，速度梯度的形成会导致剪切应力，认为若剪 切力足够大，会撕裂凝固过程中出现的柱状树枝晶，将其打碎为球状碎片，成为 等轴晶的核心，起到细化凝固组织的作用。 “j m 等【4 9 l 对p b 6 0 s n 合金的研究，进一步肯定了脉冲电流改善凝固组织 的作用。他采用了两种形式的脉冲电流：( 1 ) 电源电容4 6 0 p f ，充电电压2 6 k v ， 脉冲间隔时间6 0 s ：( 2 ) 电源电容0 0 0 4 4 p f ，充电电压3 0 k v ，脉冲间隔时间2 7 m s 。 实验发现，前者可使初生相球化、共晶团沿电极方向伸长，而后者可减小共晶体 的片间距，并使得共晶体的层片均沿电极方向生长。l ij m 等认为，脉冲电流的 引入使得液相向固相转变时所需的驱动力减小，从而降低了液一固相变需要的过 冷度。 2 0 世纪9 0 年代中期，j p b a r n a k 和h c o n r a d 等【5 0 】的实验表明，脉冲电流使 s n p b 合金的共晶团大大减小。电流密度为1 0 0 0 - 1 5 0 0 a c m 2 ，脉冲频率为1 5 5 h z 时，共晶团尺寸减小到原来的1 6 ，如图1 2 所示。并通过实验发现随着电流密度 增加，结晶过冷度增加。与m n a k a d a 的观点不同，j e b a m a k 等对p b s n 合金液 凝固过程中产生的收缩力进行了计算，得到的最大应力值也不过l k p a 左右，如此 小的应力不足以将柱状晶打碎，但能够造成p b s n 金属液的波动。认为脉冲电流 对凝固组织的影响可归因子其对形核率的影响，即脉冲电流可能会降低形核功。 b a r n a k 等根据金属凝固形核理论，指出脉冲电流有可能显著地改变系统的g i b b s 自由能a g 和固一液界面能讧s 。 脉冲频率h z 1 , 5 05 01 5s1 5 亘 适 分 世 园 嚷 拭 电流密度j a 锄一2 图1 2 脉冲电流对s n - p b 合金共晶团尺寸的影响【删 4 一 上海人学博十学位论文 鄢红春和周本濂等【5 l j 使s n 1 0 p b 亚共晶合金在脉冲电流作用下凝固，所用 电流参数为电源电容1 2 0 0 肛f ，充电电压15 0 0 v ，脉宽为毫秒量级。结果表明，粗 大的富s n 树枝状初晶细化成近球状结构。他们指出脉冲电流作用于熔体时产生 的瞬态磁压强p 远大于熔体内部的动力压强p d ，熔体被反复压缩。熔体的这种运 动可使其迅速失去过热，由此导致过冷度增加。他们用经典热力学和连续介质电 动力学对脉冲电流作用下熔体的结晶形核理论和晶粒尺寸做了深入研究，表明当 所加脉冲电流密度达1 0 0 0 0 a c m 2 量级时，在理论上可以获得大块纳米晶。 秦荣山 5 2 1 认为脉冲电流对形核率的影响表现为两个方面：即增加体系温度和 改变形核势垒，他推导了电流作用下介质的形核率。为了避免由于电流的通过使 得体系温度升高，人们尽量采用短脉冲的作用，其须保证新相胚能够有足够的时 间生长成一个稳定的晶核。否则电流作用生成的晶核将在电流去掉后变得不稳定 而溶解。他给出了估计脉冲宽度下限的最粗略的方法，认为脉冲电流对金属凝固 的主要作用在形核阶段。随着形核数目的增加和新相体积的增大，电流的作用越 来越不明显。 2 0 世纪9 0 年代末期，我国率先开展了脉冲电流对较高熔点的铝铜合金及高 熔点钢铁材料凝固过程影响的研究工作。訾炳涛等【5 3 】应用脉冲电流作用于l y l 2 铝合金，所用电流参数为放电电压为0 - 7 k v ，电源电容量为0 - 4 0 0 p f ，约3 0 s 放 电一次。结果表明，脉冲电流可显著细化凝固组织，脉冲电流的强度愈高，细化 效果愈显著。他认为在凝固过程中，脉冲电流和由它所产生的脉冲磁场的相互作 用，不仅可使熔体受到收缩力的作用，产生收缩效应，且它们之间存在的相位差 可使熔体受到舒张力的作用，产生舒张效应。并指出熔体正是在这两种力和变形 效应的共同作用下，使凝固组织得到显著细化。 王建中掣“】对凝固前a 1 5 0 c u 合金熔体进行脉冲电流处理，铸锭凝固后， 柱状晶区缩小、等轴晶区扩大，晶粒得到很大程度的细化。同时发现，处理后的 合金液，具