（材料学专业论文）单极方波脉冲电流对alcu合金凝固组织的影响.pdf

硕士学位论文 摘要 本文针对单极方波脉冲电流对亚共晶和过共晶( a 卜c u 合金非定向凝固和定向凝 固过程和凝固组织的影响进行了实验研究。 围绕振动熵对凝固过程形核动力学的影响进行了讨论，提出了关于体现振动熵影响 的凝固形核率的表达式。 研究的结果如下： 脉冲电流对合金的凝固过程和组织的影响存在一脉冲电参数 频率、电流幅值及脉 宽) 的最佳组织，在此最佳参数组合的作用下均能使非定向凝固和定向凝固【a 卜c u ) 合金的初生相及凝固组织细化。 在脉冲电流作用下由于电场及感生磁场的不均匀性而产生的磁场梯度漂移和磁力 线曲率漂移，使得4 f + 及c 矿离子沿磁场方向迁移，在脉冲电场作用下，促使a l 。c u 小 晶面初生相沿磁场方向优势生长。 ( a l c u 合金是一种具有较好导电性能的合金材料。围绕s e e b e c k 效应和p e l t i e r 效应对凝固过程及组织的影响进行了分析和讨论，这两种热电效应均对凝固过程中固 液界面的稳定性产生影响。 关键词：a | - c u 合金单极方波脉冲电流凝固组织 兰坚互鎏坚、仲墨鎏翌竺：立兰茎量璺塑箜兰里 a b s t r a c t i nm i sa r t i c l e ，血ee 丘b c to fr e c t a n 四ew a v ep u l s ec u r r e n to nn o n d i r e c t i o n a la n d u i l i d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o np r o c e s s i n ga n ds t n j c t u r eo fh y p o e u t e c t i ca n dh y p e r e l j t e c t i c ( a l - c u ) a l l o y sw e r ce x p e r i m c n t a l l yi i l v e s t i g a t e d t h ee 脏c to fe i l t r o p yo fv i b r a t i o no nm ed y n 锄i c so ff o m i n gn u c l e u so fs 0 1 i d m c a t i o n p r o c e s s i n gw a sd i s c u s s e da 1 1 dae x p r e s s i o nf b rm er a t eo ff o m l i n gn u c l e u sd l m n gs o i i d i f 弭n g w a s p u t f j r v ，a r d r c s u l t ss h o wt h a t ： t h ep u l s ec u r r e n tw i mo p t i m u mc o m b i i l a 廿o no fe l e c m cp a r a m e t e r s ( 行e q u e n c y ，c u r r e n t 锄p l i m d ea n dd l l r a t i o n ) a l lc o u l dr e s u l ti nt h er e f i n e m e mo f p r i m a r yp h a s ea n ds o l i d i f i c a t i o n s t r u c n 鹏o f ( a l c u ) a l l o y s u n d e ra c 矗o no fp u 】s ec 岍e n t 1 1 ed l j no f m a 印e t i c 矗e l dg 棚i e n ta n dm e 蹦丘o f c u “a t i l r eo fm a g n e t i c1 i n ef o m e df o r n lm eh e t e m g e n e i t yo fm a 伊e t i cf i e l dr c s e c t i o nt h e m i 擎a t i o n4 ra n dc 矿a l o n g 址l ed i r e c t i o no fm a g n e t i cf i e l d ，a n dn 屺np r o m o t e 也ed 阻n i n a t e 孕o w mo fa j 2c u f a c e t e dc r y s t a l sa l o n gm ed i r e c t i o no fm a 弘e t i cf i e l dl l n d e rt l l ea c t i o no f p u l s ec u e n t ( a j - c u ) a l l o y si sam a t e r i a l s 诚廿1b e 他r t h e r r n o e l e c 伍cc h a r a c t e r s ，血ei n n u e n c eo fs e e b e c k e 丘b c ta r l dp e l t i e re f r e c to nt h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s s 血ga n ds t r u c n l r ew e r e 曲e s t i g a t e d ，t 1 1 e s e t l l e r i i l o e l e c t r i ce 疏c t sa l lh a v ei i l f l u e n c eo nt h es t a b i l i 留o fs o l i d l i q u i di n t e 面c ed 谢n g s 0 1 i d i f i c a t i o np r o c e s s i g k e y w o r d s ：a i c ua l l o y ，u i p o l a r 代c t a n 垂ew a v ep u l s ec u r r e n t ，s o l i d i f i c a t i o s t r u c t u r e i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：王和哆 日期：2 。6 年5 月1 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：沙7 年占月7 日 日期：弘，年苦月) 目 第l 章绪论 金属凝固组织细化或改良有利于提高铸件的综合性能，针对凝固组织的细 化，常用的方法是孕育，变质处理和微合金化或采用物理搅拌等凝固细晶技术。 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，其中外场， 如振动场，超声场，高压场，微重力场，超重力场，磁场及电场等，对金属凝 固组织和固态相变的影响非常显著，已经取得了显著的进展。同时，环境意识 提高呼唤绿色材料的诞生，而外场处理时在节能节材的条件下，减少对环境和 材料本身的污染，实现清洁化生产和材料加工，使用的可持续发展。因此，从 2 0 世纪9 0 年代起外场技术再度成为材料领域研究的新热点。随着外场技术的 研究和深入，引发了一系列常规材料成型与加工过程中不可能出现的新现象和 新规律，对于发展新型材料和改进传统材料都有重要的科学和工程意义，展现 外场技术控制材料的制备和加工过程，提高材料综合性能的巨大潜力与广阔的 应用前景，从而使其成为一种与时具进的材料制备与加工技术。 从材料能量学的观点出发，所有的作用形式都是外界对材料体系的能量作 用，分别从不同途径影响材料的结构和性能，图1 1 显示了各种因素之间的关 系。 图1 1 材料的成分、结构、性能和能量的关系图 电场( 电流) 对金属凝固过程影响的研究始于2 0 世纪6 0 年代，近年来国内外 学者采用直流电流交流电流以及高密度脉冲电流对金属凝固过程进行处理，从 低熔点的p b s n 合金，较高熔点的铝合金到高熔点的钢铁材料，都进行了大量 的研究并取得了一定的成果，现就这方面的概况作一概述。 1 1 电流处理对金属凝固组织影响的研究历史与现状 1 1 1 非脉冲电流的作用 1 9 7 4 年v a s h c h e n k o 和他的合作者首先证明了利用较小的直流电场可以 单极方波脉冲电流对a l 正u 合金凝固组织的影响 在合金凝固时细化铸件显微组织。他们在铸铁( 3 1 3 4 c ，1 9 2 8 s i ) 凝固过程中通以电流密度为4 5 m a c 寸的直流电，结果发现，电场有以下作 用：减小了石墨片的尺寸，并使其形态发生改变；减少铁素体含量，提高 了珠光体数量；减少了非金属夹杂物的数量。在铸铁熔化过程中和吹制天然 玻璃过程中直流电场的作用非常相似，所以v a s h c h e n k o 认为电场的影响不是 通过溶解在铁中的气体起作用，而是由于电流提高了碳原子的迁移速率，凝固 形核速率及增加过冷度而引起的。 1 9 8 4 年，印度学者m is r a l 2 4 1 在低熔点p b 一1 5 s b 一7 s n ( 质量分数，下同) 三 元合金凝固过程中通以电流密度为3 0 4 0 r i 洲c m 2 的直流电，结果使凝固晶粒细 化，且第二相分布均匀，共晶片间距减小近4 倍，共晶团数量增加，如图1 1 所示。他还发现在交流电作用下也有同样的细化效果。1 9 8 6 年，m is r a 又在亚 共晶p b 一1 0 s b 一3 s n 合金凝固过程中施加直流电流得到了整个基体上没有第二 相分布的均匀细化了的共晶组织。这说明电场对形核和长大两方面都有作用。 ( a ) 无电流( b ) 加电流 图1 1 电场对p b - 1 5 s n 7 s n 合金凝固组织的影响 a p r o d h a n 【5 】研究了连续电流对纯a l 凝固行为影响的实验结果表明：直流和 交流电场都有助于铸件组织的细化，在5 a ( 直流) 和3 a ( 交流) 的电流作用 下，铸件具有最好的细化组织和排气性，并且直流和交流电场对凝固冷却曲线 都有一定影响，与无电场时相比，凝固温度都是降低的。 1 9 9 3 年f l e m i n g s 【6 】发明了制备非枝晶组织的凝固控制技术，其核心内容是 对开始凝固的合金进行高压大电流操作，所得的凝固组织明显细化，晶粒形状 为表面光滑的球形或准球形。 最近，a h m e d 【7 。8 l 研究了高温合金电场凝固工艺，通过电流密度，高温度 梯度，抽拉速度等工艺参数的有效匹配，发现采用5 0 4 0 0 m a c m 2 电流作用 n i 基高温合金可以减少偏析，并可消除合金内的微观缩松，y7 相呈细小球状， 而且析出数量增加。 顾根大对s n 5 b i 合金在定向凝固装置上，在直流恒流电源 ( o 1 0v o 1 7 5 a ) 的作用下进行定向凝固试验，试验结果表明，随电流密度增 加，胞晶向枝晶生长方式转化的临界生长速度增加，亦即电场强烈提高胞晶生 长的稳定性，改变胞晶生长形态，显著减少胞晶晶间距。 许广济，王劲【1 0 1 等人在对z a 2 7 合金凝固组织的研究中，发现随电流密度的 增加，枝晶间距逐渐变小，粗大的富a l 树枝晶在电场作用下逐渐向球状晶转化， 且共晶相逐渐增多。如下图1 2 所示： ( a )( c ) ( d ) ( e )(f)(曲 图1 2 直流电流密度对z a 2 7 合金凝固组织的影响 图( a ) 为未加电场作用的情况下z a 2 7 合金凝固组织，从图中可以看出首先 析出富a 1 的a 相，该相具有很强的枝晶生长倾向，具有发达的枝晶结构，二次 枝晶间距( d a s ) 比较粗大，约为1 9 7pm 。在施加直流电场的作用下，随电流密度 的增大，树枝晶变短，数量增多，二次枝晶的生长受到抑制，二次枝晶端部变钝、 晶间距变小，如电流密度为1 9 a c m 2 和3 8 a c m 2 时分别为1 0um 和8 8um ，当电 流密度为9 5 a c m 2 以上时，熔体中粗大的树枝晶组织被细小的非枝晶组织所取 代，如图( b ) ( g ) 分别为电流密度从1 9 2 2 6 a c m 2 的情况。该图还表明，随着 电流密度的增大，共晶组织的数量呈现增多的趋势。 1 1 2 脉冲电流的作用 1 9 9 0 年，n a k a d a 和f l e m i n g s 【”j 首先研究了对过共晶s b 9 0 p b l 0 合金凝固 过程的影响，脉冲电流来自充电电压3 k v 的电容器，充放电间隔为2 0 s 。试 验发现，电脉冲有明显的晶粒细化效果，合金中柱状组织大部分转化为球状， 而且球状组织所占比例随充电电压的增大而增多，如图1 3 。 j m l i 【l 副等对共晶p b 4 0 s n 4 0 合金凝固过程作了研究。一种是采用高的充 电电压3 0 k v 和短的脉冲触发时间2 7 u s ，另一种是采用低的充电电压2 6 k v 和长的触发时间( 6 0 s ) ，未施加电脉冲的凝固组织如图1 4 所示。施加脉冲 电流的实验结果表明：在高充电电压时，富p b 初生相树枝晶破碎成细小等轴 晶状，共晶团的形貌也发生了变化，如图1 5 所示。当采用低的充电电压时， 枝晶组织没有明显变化，但共晶团沿两极方向被拉长，并且共晶片间距减小， 如图1 6 所示。 图1 3 在6 k ，m i l l 凝固速率下脉冲电压和放电时间与凝固组织的关系 ( 加l en e le i 舭6 cg r a i n ( 1 0 0 )t h ee m e c t i cl 锄e l l a e ( 1 0 0 )( c ) 1 1 1 ep 嘶c hp h 雏e d e n d n t i c ( 1 0 0 ) 图1 4 未施加脉冲电流时的凝固组织 ( a ) t h eb r o k e np b 埘c hp h a s e ( x 1 0 0 )( b y n l ee l o n ge u t e c t i cg r a i n s ( x 1 0 0 ) 图1 5 施加高充电电压脉冲电流时的凝固组织 4 ( a ) 1 1 1 ee u t e c n c 鲥l l se l o n g a t e 止 ( b ) t h ee u 钯甜c1 锄最l l 掣o w i b g a 1 0 n g t 、v 0e l e c 仰d e sd i r c 呼i o n ( 1 0 0 ) a 1 0 i l g t 、v oe l e c 呐d e sd i r e c t i o n ( x 1 0 0 ) 图l _ 6 施加低电容高电压脉冲电流时的凝固组织 b a r n a k 等人【”1 在研究了脉冲电流密度对共晶p b s n 合金凝固组织的影响时， 所采用的脉冲电流密度为1 5 0 1 5 0 0 a c m 2 ，脉冲有效放电时间为6 0ps ，在整个 凝固过程中施加电脉冲，得到以下结果：过冷度t 增加( 见图1 7 ) ，但从图 中我们发觋t 增加曲线越来越平缓：共晶团尺寸显著减小( 见图1 8 ) 。；实验 表明：如果电流密- 度为1 0 0 0 1 5 0 0 a c m 2 ，脉冲电流频率1 5 5 h z ，共晶团簇可减 小一个数量级；此外富p b 树枝晶的截面积增加1 0 2 0 ，共晶层片间距没有显 著变化，而且电脉冲对初生富p b 枝晶的形貌、尺寸没有明显作用。 一。神鞠事，孤 电勰畦， 一 图1 7 不同脉冲电流密度 处理对s n p b 过冷度t 的影响 兰 蠢 囊 图1 8 不同脉冲电流密度处理 对s n p b 合金共晶团尺寸的影响 在最近几年里，国外关于电场对于金属凝固组织影响研究的文献相对较 少，但是m g a o 1 4 】等最近发现在对z a 2 7 合金施加脉冲电流，电流最大峰值达 到2 6 0 0 a 后，能够抑制树枝晶的生长，得到的组织明显细化，机械性能得到了 很大的改良。中科院沈阳金属研究所鄢红春l l ”等人在研究脉冲电流对s n p b l o 合金凝固组织的影响时，发现在由大电容量电容器放电( 1 2 0 0 u f ，1 5 0 0 v ，脉冲 宽度为毫秒量级) 提供的脉冲电流作用下，粗大的富s n 树枝晶细化成近球状 结构，凝固组织分别如图1 9 所示。 鲁善q_j1|-p、-是h鲁p、h崎 图1 9 脉冲电流对s n 1 0 p b 合金凝固组织的影响 ( a ) 未经过脉冲电流处理( b ) 经过脉冲电流处理 我国开展了脉冲电流对较高熔点的a l 合金及钢铁材料凝固过程影响的研 究。訾炳涛【l6 】等应用强脉冲电流细化l y l 2 铝合金，当金属熔体冷却至液相线 时，向试样施加不同强度的脉冲电流，放电电压为o 7 v ，电容器电容量为 0 4 0 0 u f ，脉冲时间约为3 0 s ，直至试样冷却至固相线以下完全凝固成锭，结果表 明，强脉冲电流可显著细化其凝固组织，脉冲电流越强，细化效果越显著。 王建中【1 7 】等对a l 一5 0 c u 合金进行了电脉冲处理，铸锭的凝固结构得到了 改善，柱状晶区缩小，等轴晶区扩大，晶粒得到了很大程度的细化。何树先l l 副 等测量了a 3 5 6 合金加脉冲电流处理和未加脉冲处理的冷却曲线，对比分析出 加脉冲电流处理后，由于有更多的晶核形成，其凝固时间比未加脉冲电流处理 的凝固时间要缩短很多。唐波【l9 】等发现增加冲击频率和电路的自振荡频率，都 能够提高脉冲作用对金属凝固组织的细化效果。 北京科技大学的唐勇【2o 】博士用脉冲电流对连铸过程中的钢液进行了处理， 从低倍组织看，未经过脉冲电流处理的钢锭的凝固组织中心有比较严重的疏松 和缩孔。而当施加脉冲电流后，疏松情况均有不同程度的改善，凝固组织均匀 程度提高，特别是在低脉冲电压和高脉冲电压两种情况下，这种改善效果尤为 明显。 范金辉【2 1 】等对奥氏体不锈钢l cr 1 8 n i 9 t i 凝固组织采用15 0uf 的脉冲电 源，在5 2 v 和2 6 4 7 v 两种充电电压进行电脉冲处理，结果表明，脉冲电流能 够细化奥氏体不锈钢的凝固组织，使奥氏体一次枝晶长度明显缩短，二次枝晶 间距也有所减小。并且发现，只有当脉冲电流有一合适参数时，脉冲电流才对 奥氏体不锈钢凝固组织有显著细化和改善作用。在实验过程中通过透明的石英 坩埚还发现，在不同的脉冲电流参数下，液态金属表现出不同的力，光，热等 宏观行为。当脉冲电压较高时，液态金属有明显的发光和震动现象。但为何有 发光现象，文章没具体探讨。如图1 ，1 0 所示。 另外，对t 8 钢、6 0 # 钢、7 0 b 钢等进行了电脉冲处理研究，凝固组织均得到 了明显的改善。 6 图1 q o 未经脉冲电流处理的奥氏体不锈钢凝固组织 r a ) u = 9 2 vf b u = 5 2 1v ( c ) u = l5 1 1v( d ) u = 26 4 7v 图1 1 l 不同参数脉冲电流处理后不锈钢凝固组织 顾根大2 2 2 4 1 研究了电流作用下a l 一3 3 c u 和a 1 1 2 7 s i 两种共晶合金的 单向凝固行为，发现电流使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，尺寸变细。电流强烈改变了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。电场能提高s n b i 5 合金胞晶生长向枝 晶生长转变的临界生长速度，增大平面生长向胞晶方式转变的临界生长速度， 改变胞晶形态；减小胞晶间距。电场还能减小a 1 2 c u 共晶合金的片间距。 常国威等人【2 5 也6 1 以电流密度对定向凝固中固液界面形态稳定性影响为基 础，建立了电流密度与其柱状晶间距的定量关系式： 4 = ( 3 ，) ”2 g 一1 7 2 ( 丌，c o s 口) “2 ( 一p 。3 ) - 1 f11 、 在实验中以c u 2 a l 合金为材料，在定向凝固过程中通以不同大小的电流， 结果发现柱状晶间距随电流密度的增大近似呈直线下降，验证了其关系式与实 单极方波脉冲电流对a 1 c u 合金凝固纽织的影响 验结果基本吻合。 周本濂2 7 1 等也对脉冲电流在合金凝固组织的影响进行研究，并且在理论上 用经典热力学和连续介质电动力学对脉冲电流作用下的结晶成核理论和晶粒 尺寸的计算进行了深入的研究，得到晶粒尺寸与电流密度的关系，如图1 1 2 。 将其与实验结果对照，如图1 1 3 所示，二者吻合较好。 善 、 图1 1 2 晶粒尺寸与电流密度的关系 1 2 脉冲电流在其它方面的应用 1 2 1 非晶结构的变化和纳米细化 j 图1 1 3 脉冲电流对6 0 s n 4 0 p b 晶粒尺寸的影响 电流对非晶结构和性能影响的最早研究工作是赖祖涵、h c n o r a d 和 h m i z u b a v a s h i 开展的【28 1 。赖祖涵、h c n o r a d 等研究了电流脉冲对铁基非晶合 金的微观结构和性能的影响他们发现，对于液态急冷单辊法制备的薄带非晶 f e 7 5 s i l o b l5 ，f e 7 9 s i 7 8 1 4 ，经一定的电流脉冲处理，可使这种铁基非晶合金 在不改变其宏观非晶特征的前提下使其微观结构发生变化，用穆斯堡尔谱、振 动样品磁强计等方法可以观测到这些变化，在电脉冲处理温升很小的情况下， 随着电脉冲作用时间的延长或电脉冲频率的增加，均能使其内磁场和饱和磁化 强度降低，电阻率增加。这些结果表明，高密度的电流脉冲可以引起非晶合金 的结构松弛。 赖祖涵等在研究脉冲电流对非晶f e 7 8 s i l 3 8 9 结构和性能的影响时发现， 通过调整脉冲电流参数可控制晶体的形核与长大而成为制备纳米晶材料的一 种新方法【29 1 。这种方法不同于高温退火处理而发生的晶化，脉冲电流对非晶 f e 7 5 s i l 0 8 1 5 合金晶化的成核率和晶体生长具有明显的促进作用，可以大幅度 降低非晶合金的晶化温度。 郭晓楠等【3 0 】研究了高密度单脉冲电流对h 6 2 铜带力学性能的测试和比较， 发现高密度脉冲电流处理后，样品的延伸率有显著的提高，强度也有所改善， 其综合效果优于退火处理。认为可能是高密度脉冲电流形成的电子风：撞击晶 量rri覃口_口 界上的原子，使_ 畸变晶格上的不稳定原子发生振荡，由亚稳定状态变成能量较 低饷稳定状态：影响空位的运动使其湮灭，消除部分点缺陷，增强位错的可动， 性，从而降低样品被拉伸时形成微裂纹的几率，导致宏观上的强度增强，塑性 提高。 i 2 2 脉冲电流应用于非晶合金的防脆处理 由液态急冷技术生产的铁基及铁镍基非晶态合金，必须在晶化温度以下某 一温度进行去应力退火才能达到实用化产品所要求的软磁性能。然而，去应力 退火过程中，这些合金往往出现退火脆化使合金的延性大大降低，工艺性能变 差，使产品的制造与维修十分困难。所以，非晶合金的脆化一直为国内外材料 界所关注。人们曾采用改变合金成分、添加微量稀土及中子辐射等方法，但未 能消除退火脆化。2 0 世纪8 0 年代初，t a u b j 在对应力弛豫与结构变化模型分 析的基础上，最早预测快速加热退火可以减轻非晶合金的脆化程度。1 9 8 3 年 j a 画e l i n s k i 【3 2 1 及y h v a r i 【3 3 l 等将电脉冲用于非晶合金的退火处理，尽管对于不伺 的合金取得的防脆效果不尽相同，但的确证实了t a u b 的预测。根据文献，最 彻底消除铁基非晶合金退火脆化的报道得自于z a l u s k a 和h u a n g 。前者将f e 5 0 n i 3 0 s i l o b l o 合金置于油浴中进行脉冲加热，可使其脆化温度提高到晶化温度 以上【3 4 l ；后者则开发出一种即可明显改善f e 7 8 8 1 3 s i 9 合金软磁性能有能完全 消除其退火脆化的新的脉冲加热退火方法，并据此申报了专利口“。 1 2 3 脉冲电流对金属疲劳韵影响 脉冲电流对金属疲劳的影响也是电脉冲应用的一个重要内容。早在1 9 7 6 年，苏联学者g v k a r p e n k o 【3 6 】等就开始研究了连续直流电流电能提高低碳钢的 疲劳寿命。9 0 年代初，h c o n r a d 、赖祖涵【3 6 】等对多晶铜在疲劳过程中通过连续 的高密度的脉冲电流的疲劳特性进行了研究。所得结果是，对多晶铜脉冲电流 能提高其疲劳寿命，降低沿晶断裂倾向，认为高密度脉冲电流提高了滑移带的 均匀性，脉冲电流对疲劳寿命的影响随着所加应力的降低而增加，或者说对高 周疲劳的影响要比低周疲劳的影响大。 此外，j m g a l l i g a n 【3 7 】等曾研究了纯c u ，纯a l 及c u 5 a l 合金在电场作用 下的电子对应位错的施拽过程，结果是应力下降值与外加场强的平方成正比， 说明电子与位错有交互作用。 关于脉冲电流对材料疲劳影响的机制，a f s p r e c h e r 【”j 等认为是电脉冲的 热效应所致，而d w t a n g 【3 9 1 等则认为高密度电脉冲是一个瞬态过程，在疲劳 裂纹的尖端产生瞬间的高电压，极大的热效应使得裂纹尖端熔化，从而修复裂 纹，除了热效应另外还有热膨胀等效应。但在实际的情况中，都有实验的证据 9 单极方波脉冲电流对a l c u 合金凝尉组织的影响 来说明，因此各种现象和原因之间不能一概而论。 综上所述，不难发现电流对金属凝固过程中可以产生明显的良性作用，细 化晶粒，改善凝固组织，消除铸造缺陷，提高力学性能，更为重要的是电流的 这种作用是一种体作用，这预示着在电场作用下金属的凝固完全可能成为一种 新型的凝固控制技术。 1 3 问题的提出 外场技术在材料的制备和加工过程中的应用研究已取得了大量的进展，出 现了一些新的现象和新的规律，已经为优化传统材料和开发新材料带来了新的 契机。但是外场处理技术仍存在很大的局限性，对凝固细晶的机理及规律还缺 乏深入细致的认识，基础研究的不足制约了该技术的应用，使其发展成为真正 实用的传统材料和新兴材料制备和加工技术尚需要进行更深入的研究，主要包 括： ( 1 ) 深入系统的研究不同场和复合场作用下的凝固机制，细化机理及对固 态相变过程的影响。 ( 2 ) 系统研究外场处理与晶粒细化效果之间的关系和规律。 ( 3 ) 研究复合场与凝固技术交叉作用下的多维传质、传热机制，形成完善 的理论体系。 ( 4 ) 研制可用于生产和试验的专用设备和装备，以便安全，可靠在材料制 各和加工过程中合乎要求的外场处理。 ( 5 ) 克服技术上与工艺上的困难，扩大研究领域，研究不同材料在外场作 用下的凝固行为。 1 4 本文研究的内容 当脉冲电流通过合金熔体时，将在合金融体中产生脉冲磁场，使得合金 熔体的凝固过程是在脉冲电流和所产生的脉冲磁场共同作用下进行，具有其明 显的特征性。此外，脉冲电场可以通过功率较低的设备实施间歇式大能量输出， 与超强物理场相比，具有更加广阔的应用前景。但是必须注意到，目前人们的研 究主要集中在施加电流来控制晶体的生长，认为对凝固过程中的固液界面施加 电流是控制晶体生长的有效方法之一。但是用电流来控制凝固过程的研究尚处 在起步阶段。金属材料凝固组织的电场控制技术的应用还存在较大的局限性， 这主要是由于至今电流对金属凝固过程的作用机理以及电场、电热效应在实施 材料组织控制中与温度场、浓度场、流场及压力等工艺参数的匹配，以及材料 自生的电学性能等基础问题尚未搞清楚所致。随着人们对电场作用下金属材料 j 0 凝固行为，物理实质的深入认识，晶粒细化或晶粒形态与电场参量的定量关系， 电场参量与合金成分以及合金热物理参数之间的关系性能等基础性研究钓不 断深入，以及电源设备和开关等相关部件的开发，利用电扬与其他物理场( 如 电磁场，压力场等) 的交互场的实现对金属凝固组织的有效控制这一技术，必 将在新材料韵开发，工件成型中得到进一步的发展。 国内外在研究脉冲电流对合金凝固过程的影响中所采用的大多为r l c 电路所提供的脉冲电流，由于采用：的是由电容器充放电产生的脉冲电流，使得 每一瞬间通过合金熔体的脉冲电流很不相同，这对凝固过程的定量研究带来了 很大的困难。 课题组研究指出，在固液生长界面附近的矿体积内存在一特征固有频率 f ；，当外界干扰推动传递至固液界面时，若其基频f 或谐波频率与只相吻合 并有足够能量促使固液界面发生谐振而失稳时，则将影响晶体的形核，生长和 质量，亦即振荡干扰频谱与固液界面的特征频域是否吻合及干扰振荡的能量在 特征频域内强度的分布决定着干扰振荡对晶体生核，生长过程的影响。 我们的研究认为脉冲电流对合金凝固过程和凝固组织的影响效果除了与 脉冲电流的幅值、频率、脉宽及作用时间有关外，还与脉冲电流的波形密切相 关，因为，将正弦波，三角波和方波分别按傅氏级数展开，正弦波，三角波和 方波可分别展开为基波和谐波的叠加，即： 正弦波：q ( f 1 = 4 c o s q f 三臌嘶) = 等扣厂挚 方波：啪) = 等喜篙 式中：q = 2 石z ，五为振动的基频； 4 ，4 ，4 ：分别为正弦波，三角波及方波的振幅。 各种波形的激励频谱及各干扰波形能量在频谱上的分布分别如图1 1 4 及图1 15 所示。可见方波具有更为丰富的谐波，而且，高次谐波所造成压力波幅值衰减 较慢。为此，我们研制出台频率、电流幅值、脉宽均可调的单向方波脉冲电 源来进行实验研究。 ( a ) 正弦波( b ) 三角波( c ) 方波 图1 1 4 各种波形的激励频谱 叠 芒 鑫 鼍 ，! ，一 兰兰玄鎏壁、冲皇鎏翌2：宝全登雪墨釜竺兰生，一 ( a ) ( b ) ( c ) ( d )叫f 靠柯r l d 矗 坼坼坼。坼。 l 牟b 奠一。 一， ， 图1 1 5 各种干扰振动波形能量在频域上的分布 ( a ) 正弦波( b ) 三角波( c ) 方波( d ) 直流波 a 1 c u 合金是种具有较好热电效应的合金。而且在过共晶a l c u 合金中的 a 1 2 c u 初生相为小面晶型晶体。因此，本文在往届研究生研究工作的基础上开 展方波脉冲电流对过共晶、亚共晶a l c u 合金凝固过程及凝固组织的影响进行 试验研究。主要研究内容： 1 研究方波脉冲电流的电流幅值、频率、脉宽对亚共晶和过共晶a 1 c u 合金 的非定向凝固组织的影响，重点在方波脉冲电流对过共晶a 1 c u 合金中舢2 c u 初 生相生核及生长的影响。 2 研究方波脉冲电流对亚共晶和过共晶a 1 c u 合金的定向凝固过程和凝固 组织的影响，考察热电效应对凝固过程的影响。 3 根据所得试验结果，对脉冲电流对合金凝固过程和凝固组织的影响机理 进行初步的探讨和分析。 第2 章方波脉冲电流处理对铝铜合金的实验研究结果 方波具有丰富的谐波，本章用自行研制的方波脉冲电流源组成的凝固试验 装置对a 1 c u 合金( 包括亚共晶a l 一5 c u 和过共晶a 1 5 0 c u ) 的凝固过程及 其组织的影响进行了试验研究。 2 1 实验方法 2 1 1 实验材料 实验材料为a 1 c u 合金( 包括亚共晶a 1 5 c u 和过共晶a 1 5 0 c u ) 。 2 1 1 1a 1 c u 合金系 a l c u 合金系属于典型的固溶体系合金。向铝中加入铜的目的主要是提高 强度，低温强度的增加是靠热处理，而高温强度的增加，则是通过铜与铁、锰、 镍等形成的化合物。 a l c u 合金的整个相图如图2 1 所示，其铝端的相图如图2 2 所示。 铝端的固相线及液相线大致呈直线，在亚共晶成分区域( 0 3 3 c u ) ，溶 质c u 的平衡分配系数k = o 1 4 o 1 7 。在铝端的共晶反应是在8 2 0 0 k ，液相 斗4 ，+ c z d 厶，共晶点的成分为3 3 2 c u 。 铝端亚共晶成分的a 1 c u 合金在凝固过程中首先析出初生相为a 相，是c u 在面心立方晶格a l 中的固溶体。口相的晶格常数随c u 含量的增加呈直线下降， 在平衡溶解度极限5 7 c u 时，晶格常数为4 0 3 8 1 0 3 m ，在8 2 0 k 温度处发生共 晶转变。 铝端过共晶成分的a 1 c u 合金在凝固过程中首先析出的初生相为。相，它 的分子式通常凸d f ，c 州f ，为四方晶系：空间群l 删硎，单位晶胞中有1 2 个原 子，晶格常数口= 6 = 6 0 8 8 l o - 1 0 m ，c = 4 8 7 l o 1 0 m ，密度为4 3 4 1 0 3 奴m 3 。在 8 2 0 k 温度处发生共晶转变。 c u 越，在3 0 0 4 0 0 k 之间的热膨胀系数为1 5 9 1 0 _ 6 m ，m k ，而在3 0 0 8 0 0 k 之间 为1 7 - 2 1 0 。m 珊足，凝固收缩率为3 。a 1 c u 合金的热膨胀系数随c u 含量的 增加而直线下降到c 心，的值。纯a l 的溶解热为3 8 5 蔚p ，而铝铜共晶成分的熔 解热为3 5 0 酊g 。 口一4 ，的电导率3 1 0 1 0 5 q - 1 伽，c u a l ，的电导率1 5 2 1 0 5 q 一1 册。液态a l c u 合金的电阻率随温度的升高而直线增加。有报导，在1 0 0 0 k 时，相当于固溶极 限合金的电阻率迅速增加到最大值8 0 1 0 8 q m ，尔后随c u 含量的增3 0 0 8 0 0 k 之加而下降，共晶合金的电阻率约为4 5 1 0 “q m 。在熔化加热过程中，在固体连 续性未破坏前，电阻率随温度升高而较慢的增加，一旦固体质点问的接触不存 在，电阻率即突然升高。 l i 翟剐 稀 口i 鼍：- - i 窗 、 、 力-、 错 r1 、 。：， - 黯蹦 1 - h - r 显 h - i d 蛆 膏q _ 一 辨 一 图2 1a 1 c u 合金相图【4 0 】 城1 ，a ， i 饿体 k 割， h 、h 7 h 耻脚一 o ! 卜_ 慧；画讪 棚 哳 f 姒 _ ， 期a嵫o k 一 犯_ 重量m c l 图2 2 铝铜相图的铝端 1 4 c u 降低铝的磁化率，纯铝的磁化率为1 6 5 x 1 0 _ 3 埘m 3 克原子，而含4 5 c u 的 合金约为1 0 l o 3 聊矿克原子，含3 7 c u 合金的磁化率为8 l o - 8 肌埘3 克原子。 液态a 1 c u 合金内有c u 原子的偏聚团，其直径约为4 0 1 0 0 x 1 0 。o 肌。 c 删，在7 5 0 k 以下很脆，在8 0 0 k 以下塑性没有明显增加。 2 1 1 2 实验材料的制备 首先将9 9 9 9 a 1 和9 9 9 9 c u 配制成中间合金，在配置的过程中，对熔融 金属液用六氯乙烷除气。然后，将中间合金再熔化配制成所需要配制成 a 1 5 c u 亚共晶和a 1 5 0 c u 过共晶合金。将熔融金属液体浇入金属型模具中， 冷却凝固。这个过程中用六氯乙烷除气。 实验材料盼准备工作主要步骤为：( 1 ) 台金熔化；( 2 ) 充分搅拌去氧化皮： ( 3 ) 除气浇铸；、( 4 ) 加工成实验试样。 铸型为铁模具，为了防止在浇铸过程中铸型上的沙粒混入溶液，影响铸件 质量，铸前用表面涂剂，涂剂成分为：氧化锆和水玻璃( z r o + ，蹰) 。配 置方法：2 5 一3 0 的氧化锆，3 5 的水玻璃，其余为水。水加热到6 0o c ，加 入z r o + ，鼢，充分搅拌即可应用。铸型预热到2 0 0o c ，将涂剂均匀涂抹于 铸型内表面，并用电阻炉烘干。 合金熔化是在石墨粘土坩埚中用电阻炉加热进行的，加热温度约为8 0 0o c 。 为了保证熔体在浇铸过程中有较好的流动性，必须在一定的过热度下进行浇 铸。由于所用的坩埚较小，降温速度较快，所以选择的过热温度稍高一些。 最后浇铸的亚共晶试样规格为痧2 0 1 0 0 m m 棒材，过共晶试样规格为l o o 号刚玉 坩埚状和矽2 0 x 1 0 0 m 棒材。 2 1 2 实验装置 实验的主要设备有：高能脉冲电源、h o n g h u a c o s5 0 2 0 b 型示波器、电 阻炉、r e x c 4 0 0 型温控仪、钨锶电极、n i c r n i a l 热电偶、金相显微镜，n g c i 型金属单向凝固试验仪等。 2 1 2 1 高能脉冲电源装置 该设备经过几次完善后，现在方波脉冲电流源的可调性能参数如下：可手 动转换，使设备输出双极性和单极性电脉冲。 脉冲电流幄值：0 6 0 0 a ： 脉冲频率： 5 0 一1 0 0 0 h z ： 脉冲宽度： 1 0 一15 0us ； 脉冲电流由上述脉冲电源设备产生，其实验装置和原理如图2 3 所示。 t l i r 聃口l i 越e “l r c 啊i i m l l b d r e n i f i c 砒l 弧 b i m l e 黑；。叫。 图2 3 脉冲电流对凝固组织影响的实验装置和原理 2 1 2 2n g c i 型金属单向凝固试验仪 定向凝固装置是采用n g c i 型金属单向凝固试验仪，采用双区加热，循 环自来水进行冷却。实验设备如图2 4 所示： 图2 4 定向凝固实验装置 图2 5n g c i 型金属单向凝固试验仪及简图 1 牵引机构2 进水管3 牵引棒4 电极5 陶瓷坩埚6 内瓷管7 电阻丝8 外瓷管 9 1 0 热电偶1 1 炉盖1 2 散热保护罩1 3 保温材料1 4 炉壳1 5 碳毡1 6 水楷1 7 出水管 工作原理： 如图2 5 所示的设备中，连续定向凝固实验设备主要包括加热系统、牵引 系统、冷却系统。加热系统的功能主要是熔化和保温。这是实验的前提条件。 牵引系统的主要功能是把已经凝固的金属定向引出，使晶体连续定向生长。冷 却系统使金属液体在凝固过程中具有所要求的温度梯度，从而保持固液界面的 稳定，使定向凝固能顺利进行。 牵引机构1 是电动机通过丝杠带动加紧装置来实现的，可调节0 8 m m m i n 范围内任意的牵引速度。牵引棒3 除了有牵引作用外，主要是起导热作用；凝 固结晶过程中热流将顺着牵引棒向下流动，由水槽1 6 中的流动水冷却。进水 管2 的通水量由流量计阀们控制，冷却水水位由出水管1 7 的高度来调节。实 验中为了减小冷却距离，在允许的范围内使冷却水水位尽量高。实验中用瓷管 作为坩埚使用，用耐高温而且导热性能良好的不锈钢材制作牵引棒3 。为了牵 引棒能够更好的导热，将陶瓷管( 内径为庐2 0 m m ) 直接套在牵引棒( 外径为 矽2 0 m m ) 上，并用自制软化陶瓷将外部粘结烘干成为一体，以保证牵引棒和试 单极方波脉冲电流对a l c u 合金凝固组织的影响 样直接接触。图中7 为电阻加热元件，其内外由内瓷管5 和外瓷管6 隔离保护， 内瓷管5 的里面就是炉膛，外瓷管6 和炉壳1 4 之间填充了保温材料1 3 。炉膛 内阴影部分为高温区，热电偶9 和l o 测低温区上部和高温区底端的温度。 该设备可得到的平均温度梯度为g = 全堡塑雩霪品笋。 2 1 3 实验过程 2 1 3 1 脉冲电流对a l _ c u 合金非定向凝固作用的实验过程 1 脉冲电流对a 1 5 c u 合金非定向凝固作用的实验过程 实验时将规格为庐2 0 1 0 0 m 珊的a 1 5 c u 合金棒材，放入尺寸为庐2 0 1 0 0 肌m 的陶瓷管中，上下两端插入电极，将下端封死，放入电阻炉中加热至8 0 0o c ， 保温1 0 m i n 使合金熔化，然后随炉冷，将测量凝固温度的n i c r - n i a l 的k 型热 电偶装入陶瓷管中液态合金的中心位置测温。实验装置简图见图2 6 ( a ) 。对试 样从熔化后到凝固完毕一直通有单极性的方波脉冲电流。 2 脉冲电流对a l 一5 0 c u 合金非定向凝固作用的实验过程 实验时将规格为坩埚状的a l 一5 0 c u 合金，放入1 0 0 号刚玉坩埚中，从上 面插入两根电极，放入电阻炉中加热至8 0 0o c ，保温1 0 m i n 使合金熔化，然后 随炉冷，将测量凝固温度的n i c r n i a l 的k 型热电偶插入液态台金中测温。实 验装置简图见图2 6 ( b ) 。对试样从熔化后到凝固完毕一直通有单极性的方波脉 冲电流。 非定向凝固试验工艺流程图如图2 7 。 图2 6 通电方式示意 1 和6 热电偶2 、5 、7 和8 电极3 和1 0 坩埚4 和9 金属熔体 图2 7 试验流程图 坝士学位论文 2 1 3 2 脉冲电流对a i - c u 合金定向凝固作用的实验过程 ( 1 ) 、将瓷管( 内径为矿2 0 x l o o 矾m ) 直接套在牵引棒( 外径为庐2 0 ) ，并用自制软化 陶瓷将外部粘结烘干成为一体，以保证牵引棒和试样直接接触。然后把已