（材料学专业论文）方波脉冲电流对alsi及alcu合金凝固组织的影响.pdf

硕士学位论文 摘要 本文采用自行研制的方波脉冲电流发生装置，以共晶a i - 1 2 6 s i 、过共晶a 1 2 0 s i 、 亚共晶a i - 5 c u 和过共晶a i - 5 0 c u 合金为研究对象，脉冲电流对这些合金的凝固过程 和凝固组织的影响进行了研究。 经方波脉冲电流处理的a i - 1 2 6 s i 和a i - 2 0 s i 合金，随着脉冲电流的增加，凝固 组织得到显著变化。这主要是由于脉冲电流输入能量振动熔体，磁致收缩效应促使 晶核从型壁的游离和使熔体迅速失去过热，增加过冷度，从而减小临界形核尺 寸，提高形核率，及强大的剪切力，产生更多的形核质心，使凝固组织均匀性 增加。 在方波脉冲电流处理的a 卜s i 定向凝固组织发现脉冲电流的电迁移效用造成熔体的 定向流动，使凝固组织呈梯度分布，口( a i ) 沿电流方向优势生长；铝硅电导率的不同 造成焦耳热的差异化引起口( a i ) 包围初生s i 的“晕圈”。 在脉冲电流作用下的亚共晶a 1 5 c u 合金和过共晶a i - 5 0 c u 合金均得到细 化，由于电场和感生磁场的不均匀性而产生电场漂移和磁场漂移，使过共晶 a 1 5 0 c u 合金中的a l 弘、c u 离子沿电极方向优势生长，初生相c u a l ：明显被拉长。 在a l c u 合金定向凝固过程中，施加脉冲电流，定向凝固组织随着幅值增 加，亚共晶a i - 5 c u 和过共晶a i - 5 0 c u 合金，一次枝晶间距均减小。随着脉冲 电流频率的增加，亚共晶柱状晶逐渐失去了定向凝固方向，过共晶的柱状晶随 着频率的逐渐增加出现v 字形生长，这主要是由于脉冲电流所引起的热电效应 的影响，及脉冲磁压力产生一个加速度a 和生长速度v 的叠加，使生长方向随着 脉冲电流的变化而不断偏离原来的生长方向，失去定向凝固的取向性，出现v 形状组织。 从本文的初步试验结果来看，脉冲电流对金属凝固过程及凝固组织具有一定 的良性作用。因此，脉冲电流凝固技术具有实际应用的重大意义，是一种前景广阔的 凝固技术。 关键词：脉冲电流凝固组织a i - s i 合金a i - c u 合金 方波脉冲电流对a i s i 及a 1 c u 合合凝固组织的影响 a bs t r a c t i nt h i sa r t i c l e ，t h ee f f e c to fr e c t a n g l ew a v ep u l s ec u r r e n to n o r d i n a r ya n d u n i d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o n p r o c e s s i n g a n ds t r u c t u r eo f h y p o e u t e c t i c a n d h y p e r e u t e c t i ca i c ua l l o y sw e r ee x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e dw i t ht h ee q u i p m e n to f p u l s ec u r r e n ta n ds o l i d i f i c a t i o ni nt h i sl a b w i t ht h er e c t a n g l ew a v ep u l s ec u r r e n ti n c r e a s i n g ，s t r u c t u r eo fh y p o e u t e c t i ca n d h y p e r e u t e c t i c a i - c u a l l o y s i sr e f i n e do n o r d i n a r y s o l i d i f i c a t i o n f r o m m a g n e t o s t r i c t i v ee f f e c to fs o l i d i f i c a t i o ns y s t e m ，t h ea t o m sv i b r a t i o n a li n s t a b i l i t yt o e t e r o g e n e o u sn u c l e a t i o n ，t h er e a s o ni sh e t e r o g e n e o u sn u c l e a t i o nt h a ti si n c r e a s e d u n d e ra c t i o no fp u l s ec u r r e n t ，t h ed r i f to fm a g n e t i cf i e l dg r a d i e n ta n dt h ed r i f to f c u r v a t u r eo fm a g n e t i cl i n ef o r m e df o r mt h eh e t e r o g e n e i t yo fm a g n e t i cf i e l dr e s e c t i o n t h em i g r a t i o na i + a n d c u + a l o n gt h ed i r e c t i o no fm a g n e t i cf i e l d ，a n dt h e np r o m o t e t h ed o m i n a t eg r o w t ho fc u a l 2f a c e t e dc r y s t a l sa l o n gt h ed i r e c t i o no fm a g n e t i cf i e l d u n d e rt h ea c t i o no fp u l s ec u r r e n t w i t ht h er e c t a n g l ew a v ep u l s ec u r r e n t f r e q u e n c yi n c r e a s i n g ，s t r u c t u r eo f h y p o e u t e c t i ca n dh y p e r e u t e c t i ca i - c ua l l o y si sr e f i n e do no r d i n a r ys o l i d i f i c a t i o n t h e r e a s o ni st h a t r e c t a n g l e w a v e p u l s e c u r r e n th a sr i c hh a r m o n i cw a v e sa n d h i g h o r d e r h a r m o n i cd e c r e a s e ss l o w l y f o re f f e c t i v ea c h i e v e m e n ti sh i g h ，i ti se a s yt o g e s t a t i o na n dd e t e r i o r a t i o n o nt h eu n 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 g ，w i t ht h er e c t a n g l ew a v ep u l s e c u r r e n ti n c r e a s i n g ，h y p o e u t e c t i ca n dh y p e r e u t e c t i ca i c ua l l o y s ，d e n d r i t ed i s t a n c ei s d e c r e a s e d h y p o e u t e c t i ca i c ua l l o yl o s e si t so r i e n t a t i o n t h er e a s o ni st h a tc u r r e n t a r i s ef r o mt h o m s o na n dp a l t e re f f e c t m o r e o v e r ，m a g n e t o s t r i c t i v ee f f e c ta r i s ef r o m m o r es h e a rs t r e n g t h w i t ht h er e c t a n g l ew a v ep u l s ec u r r e n tf r e q u e n c yi n c r e a s i n g ， d e n d r i t e sg r o w t hb e c o m e v s h a p e t h er e s u l to fm a g n e t o s t r i c t i v ee f f e c ta n dc o o l v e l o c i t yr i s et ot h ec h a n g eo fg r o w t ho r i e n t a t i o n k e yw o r d s ：p u l s ec u r r e n t t s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ea i - s ia l l o ya i - - c ua l l o y 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 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：马 日期：口夕年多月p 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，即：学校有 权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。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 马泛 7l 搠 年6 只，9e 1 年匆月，口日 a 、p q吖、一 期期 日日 第一章绪论 随着科学技术的进步，人们对材料的使用性能和牛态环境的友好性有了越来 越高的要求。金属凝固组织的细化有利于提高金属的力学性能。传统的的金属凝 固组织的细化的方法是向金属熔体中添加品粒细化剂或者采用各种物理搅拌的方 法等，主要缺点有污染环境、改变了合金的成分，可能影响台金的性能等。近年 来，国内外学者把外场作为种新的技术手段引入到金属凝固的过程中，它是 种无污染、操作简单的工艺。外场主要包括磁场和电场凝固，主要作用在合会凝 固过程中和金属液处于过热的条件下处理即孕育处理两个阶段。 1 1 电场对凝固组织的影响及研究现状 电场凝固技术是指液态金属在通有一定电流( 包括直流电、交流电和脉冲电流 的情况下进行的凝固它是2 0 世纪6 0 年代逐渐兴起的一种控制凝固的技术”。 现有研究资料表明 f i2 电场能够细化凝周组织、促进扩散、改变凝固过程中溶质 的再分配，并且能够排除气孔消除夹杂、减少有害物质的影响。 1 1 1 非脉冲电场的作用 1 9 8 4 年，印度人a s o k akm is r a “首先在过共晶p b 一1 5 s b 一7 s n ( 质量分数) 三元合金凝崮过程中施加直流电。合金被封装在, d 5 m m l o o m m 的玻璃容器中电 极从两端插入，加热至熔点以 5 0 ( 2 后炉冷通入赢流电至完全凝固。结果发现 台金凝固组织明显细化并且第二相分布均匀，如图11 所示。同时还发现直流电 换成交流电也得到同样的效果。 ( a ) 未电流处理( b ) 电流处理 图1 未加电流和电流处理p b s b s n 凝固组织的影响 i # 眯 m 目a i - s i a i - c u j m 的# 自 1 9 8 6 年，m 1s r a 又在亚批晶p b 1 0 s b 一3 s n ( 质量分数) 三元合金的凝固过程 中施加了电流处理技术得到了整个基体k 没有第二相分布的均匀细化的共晶组 织。另外，还对铸铁进行了试验，发现不加电流的凝固组织为块状石墨分布在铁 索体基体中，加电流后则成为斑点状珠光体，周围被铁素体所包围，树枝问的组 织为石墨和铁索体的连续网络，对此试验结果，m is r a 认为这是由于电场改变了界 面的稳定性，改变组织的原因是由于焦耳热。 王家圻“等提出在铸铁凝固l o 2 0 秒时问范围内通电，电流使石墨在尺叫、 形状和分布r 都比普通条件下形成的石墨好，电场可使铸态的抗拉强度提高3 0 左右。热分析表明，电流增加铸铁结晶过冷度，减小了结晶温度区间，并减弱有 害杂质的影响。 万刚”“等人通过电流处理对a 卜s i 台金定向凝固组织的影响的研究，结果表 明，拉伸速度v = 3 删m ir l 时a 1 一s i 合金定向凝固现象最明显。随着拉伸速度的增 大，合金定向凝固现象基本消失，凝固方式趋向于同时凝固。认为p e l t i e r 热和 焦耳热提高了界面姓的温度梯度，促进了固液界面彤态的稳定性，使界面趋于光 滑圆整，抻制桂晶的生长。同时，焦耳热使a a i 主干枝晶的生长受到抑制、发生 重熔以及断裂，定向凝固组织的方向性变得模糊，凝固组织变得更加均匀。 秦克“”等研究了低频电磁场对过共晶铝硅合金组织的影响，结果发现与低频 电磁半连续铸造相比，普通的d c 铸造，铸锭中心到边缘熔体的凝网点到熔体表血 的年别大且均较低低频电磁半连续时大，液穴深度也大。经低频电磁场处珲后的 忉晶s l 颗粒细小均匀，一r 均尺寸变小，温度场差值变小，液穴温度较均匀，显微 组织如图l2 所示。 图12 普通d c 铸造与低频电磁半连续铸造显微组织的比较 李玲珍”等人研究了电流对金属熔体过冷度的影响，研究结果表明，通过电 脉冲和直流电对伍德合金的通冷度的研究，总结前人电流对金属熔体过冷度的结 论，发现脉冲电流会减小伍德台金的过冷度，而直流电大小对过冷度有两面影响： 较低电流增加过冷度，较高电流减少过冷度。同时认为各种过冷度理沦和试验结 论可能与所用材料有关且使用的电流参数有关。 龙春仙”等人研究了电磁场对a 1 1 8 s i 合金凝固过程的不同温度施加不同磁 硕卜学位论文 场，对合金凝固组织的影响。研究发现：随着施加直流磁场温度的降低，初生s i 变得越来越长，共晶组织变得越来越细密。同时，随着施加交流磁场温度的降低， 初生硅变的越来越粗大，共晶组织无明显变化。 高志玉眩们等人使用改进后自制的b r i d g m a n 定向凝固装置，研究了直流稳恒磁 场对a i - 1 1 s i 共晶定向凝固组织的影响，结果发现同一牵引速度时，共晶硅硅片 间距呈现先增大后减小的变化规律，认为当磁感应强度较小时，热电磁流体动力 学占主导地位，促进对流，而磁感应强度增大时，磁流体动力学起主要的作用， 引起硅片间距变小。同一磁感应强度下，随着牵引速度的增加，硅片间距减小， 且分布由稀释到密集。 王艳阳等人研究了直流磁场作用下a l - 1 8 s i 合金的凝固行为，研究结果表明， 直流磁场力对熔体无搅拌作用，其磁感应强度为0 2 4 t 左右时，开始出现初晶s i 在试样边缘的宏观偏聚现象，且偏聚层厚度随磁感应强度的增大而增加，共晶组 织在中心所占面积也随之增大；当磁感应强度达到一定大值时，甚至发生共晶组 织的分离现象，并从经典电磁理论角度讨论了电磁场对s i 的微观机制的影响。 王建中等瞳2 1 用脉冲电流对a 1 - 5 o c u 合金进行了不同工艺的孕育处理 后，铸锭的凝固结构得到了改善，显著减少柱状晶长度和分布区域，晶粒得 到了很大程度的细化。他们发现，经脉冲孕育处理后的a l 一5 o c u 合金，具 有良好的抗孕育衰退能力。 综上所述，不难发现非脉冲电场对金属凝固组织具有良好的作用，细化凝固 组织，增加过冷度，促进形核和生长，改变界面的稳定性。消除了铸造缺陷，使 凝固组织更加均匀，提高了材料的力学性能。 1 1 2 脉冲电场的作用 美国麻省理工学院的f 1 e m i n g s 等人，首先在s n - 1 5 p b 合金的凝固过程中施 加脉冲电流对合金凝固组织的影响。研究结果发现，在凝固的起始阶段s n - 1 5 p b 合金有明显的细化效果，凝固组织由树枝晶向颗粒状细晶转化，并指出电脉冲在 试样不同的部位产生不同的电流密度和磁通密度而引起压力梯度，形成局部流动 产生切变，使树枝晶转化为等轴晶，试验结果如图1 3 所示。试验表明：在凝固 开始较短的时间内施加电脉冲，以及大的电容器起始电压和慢的冷却速度有利于 细化组织。此外还发现：初生相的形貌不仅与脉冲电压有关，还与合金中的固相 分数及冷却速度有关。 方被r 自漉a i - s i a i - c u # 日目& * 响 图l3 不同脉冲电流下处理条件下的凝同组织 l i a o 等人“”用脉冲电流对a 1 45 w t c u 合金定向凝固固液界面的影响，发现 随电流密度的增加，柱状晶间距和模糊区深度逐渐减小；树枝晶变为胞晶甚至为 平界面。 石向东”等人研究了电脉冲对a 卜1 2 5 s i 合金的孕育变质处理研究结果表 明，经电脉冲处理后的共晶 卜s i 合金凝固组织出现了过共晶组织才应出现的初 晶硅，同时a a 1 枝晶长度变短，d s c 曲线发生变化，电脉冲处理后有明显的初晶 硅析出拐点，并且过冷度减小。通过量子力学杂化理论的分析表明，电脉冲澈发 s i _ s i 原子集团成键能力更强，共价键更稳定，促进了铝硅合金液中s i 相的形核 与长大。对a 1 一s i 熔体的液态结构产生了影响，从而使其凝同过程和凝同组织发 生了变化。 曹丽云“”等人研究了电脉冲变质处理对z l l 0 8 合金性能的影响，发现凝固组 织呈磷变质的组织特征，初生硅阻块、粒状形式均匀分布，组织中己看不到明显 的共晶组织特征，共晶硅也以颗粒状分布于a a 1 基体中。经抗衰退试验l h 其组 织基本特征没变，说明经过e p m 变质处理的z l l 0 8 具有良好的抗衰退性能。根据 液态金属团簇假说较高的电压和频率的脉冲电场下，s i 晶胚外电层会发生畸变， 以降低“位垒”，使更多的s i 原子不断在外电层畸变、松弛的过程中与晶胚重构、 形成能稳定存在的s i 的大尺寸晶胚，当凝固开始时，这些晶胚作为初晶硅的结晶 核心，从而达到孕育形核的目的。 赵志龙“”等人研究了脉冲电流对z l l 0 2 台金凝固组织的影响，以及与硼砂细 化处理的复合作用。实验表明在电脉冲作用下凝固组织中租大的a a 1 枝晶得 到明显细化，片状的共晶硅尺寸减小：电脉冲细化和硼砂变质细化的复合作用使 q a 1 技晶成为近球状晶，共晶硅片得到一定程度的细化。研究认为振荡的电磁收 缩力和电流的热效应是电脉冲细化和均匀化凝固组织的主要原因。 陈文杰“”等人通过脉冲电流对a i4 5 c u 合金定向凝固过程及组织的影响发 现随着脉冲电流峰值和频率的增大，a 1 45 c u 合金柱状晶被熔断，形态由细条 状变为不连续，且细化和失稳趋势增大失去柱状晶定向凝固的取向性。同时作 者认为由脉冲电流引入而产生的脉冲磁压力及焦耳热效应引起固液界面处造成强 烈扰动是定向凝固组织失去取向性的主要原因。 何树先”等人通过商密度脉冲电流对过共晶 卜s i 合金凝固组织的影响发现， 未经任何处理的试样凝固组织中含有大量的长秆状初生s i ，其长宽比较大，且共 晶s i 尺寸较大，而经过高密度脉冲电流处理后，凝固组织中初生s i 转变为块状， 长宽比显著减小，共晶s i 呈短杆状尺寸较小，另外还发现在试样的局部存在初 生s i 品粒破裂的现象，试验结果如图14 所示；作者认为熔体中成梯度分布的高 密度脉冲电流产生的不平衡电磁力而导致大小不一的剪切力的结果。 来j u 脉冲电 血处理脉冲电流处理 圈14 未加脉冲电流和脉冲电流处理过共晶a 1 一1 9 s l 台金凝固组织 李建明”等人研究了两种脉冲放电方式f 对p b 一6 0 w t s n 台金的凝同组织，研 究结果发现在大容量脉冲放电处理下，富含p b 初生相树枝晶“破碎”，变成粒状 的等轴晶，而小容量的高压连续脉冲放电处理的条件下共晶晶粒沿电极方向拉长， 茈晶片沿电流方向生长，并且共晶片间距减小，实验结果如图15 所示。分析认 为，这是由于电脉冲的引入使液相一固相转变所需的驱动力减小，从而减小了液固 相变需要的过冷度所致。 未加脉冲电流高电容低电压小电容高电压 罔15 脉冲电流处理前后p b 一6 0 s n 微蕊组织( x 1 0 0 ) p r o d h a n ”“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 方波脉冲电流对a 1 s i 及a 卜c u 合金凝固组织的影响 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。 肖蕴华2 等人研究了脉冲电流在z a l 2 合金凝固过程中对合金宁组组织和力学 性能的影响、结果表明，凝固过程中的电脉冲明显细化了合金的凝固组织，使枝 晶尺寸减小，近球状组织增多；试样的抗拉强度也有提高。经作者分析认为脉冲 电流在金属熔体中产生脉冲压力，使熔体被反复压缩而发生振荡。 鄢春红b 3 等人对电流脉冲作用下s n - l o p b 合金凝固组织进行研究，发现粗大 的富p b 树枝状初晶细化成近球状结构，并提出了一个脉冲电流对凝固组织影响的 唯象机制。他们借助经典的均匀形核理论和电动力学理论导出了脉冲压力与脉冲 电流之间及形核率与脉冲压力之间的关系、研究表明，形核率存在一极大值，这 是由于脉冲压力很大时，原子的扩散受到抑制，不利于形核所致。所以应当选择 适当的脉冲电流参数，使之在凝固过程中具有最大形核率，从而细化凝固晶粒。 许广济4 1 等人研究了方波脉冲电流对z a 2 7 合金凝固组织的影响。结果 表明脉冲电流的波形关系到谐波的频域及能量在其频域上的分布。脉冲电 流诱发凝固系统处于振荡状态，脉冲电流的谐波的频域及能量分布影响到 形成临界晶核所需的原子数，团簇表面熔体的振荡状态及润湿状态，原子 的扩散激活能和整体熔体对振荡频率的响应。方波脉冲电流具有丰富的谐 波，其高次谐波所引起的振幅衰减较慢，因而具有较好的孕育变质作用效 果。 王冰5 1 等人研究了电脉冲孕育处理对z l 2 0 1 合金凝固组织的影响，研究结果 发现，e p m 孕育处理技术可细化z l 2 0 l 的凝固组织，呈短杆状及颗粒状的柱状晶a 组织转变为等轴晶。共晶相油原来的短杆状为主变为以颗粒状为主，并且分布均 匀，共晶组织的数量总体有所增加。从原子团簇假说，分析了脉冲电场的作用， 引起微观组织的发生碰撞，聚集，形成局部范围内更大尺寸的涨落。在反复畸变 和松弛的过程中，液态金属原子被结合到晶胚中，最终使稳定的小尺寸晶胚能变 为稳定的大尺寸晶胚，达到临界形核的尺寸。凝固时这些临界晶胚将作为核心形 核，达到细化凝固组织的目的。 唐勇口引等人通过对电脉冲对高碳钢凝固组织的影响的研究，发现对处于熔点 以上的高碳钢液施加一定时间的电脉冲，观察了不同处理时间后钢样的凝固组织， 发现电脉冲能够缩小钢锭的柱状晶区域，减缓了柱状晶的生长趋势，提出了一种 新的改善钢液凝固的技术，在停止电脉冲处理后停留不同时间的情况下，柱状晶 的长度不同。电脉冲处理钢液仍然存在衰退问题。作者认为，电脉冲处理钢液， 增加了原子团簇的数量，降低了凝固所需的过冷度，形核率的增加必然引起晶粒 的细化。 6 硕士学位论文 b a r a n k 曲 等人研究了高密度脉冲电流对p b - s n 共晶合金凝固组织的影响，研 究发现，经电脉冲处理后，凝固组织中的树枝晶不仅在尺寸和形态上与未脉冲电 流处理的样品相比凝固组织相同，而且电脉冲处理后树枝晶没有被折断的现象， 而共晶团的片间距也没有明显变化。还发现，脉冲电流提高了合金的形核率，增 加了过冷度，使共晶晶粒降低了一个数量级，晶粒度随着脉冲电流密度的增加而 减少。认为在凝固过程中电脉冲对共晶团大小的改变主要是因为电脉冲影响到了 共晶团的形核而不是生长速度。 唐勇，王建中等3 引对9 c r 2 m o v 钢进行了脉冲电流处理，研究发现，电 脉冲处理后的凝固组织，其柱状晶区减小，柱状晶明显缩短。唐勇又用脉冲 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。 综上所述，发现脉冲电流在合金的凝固过程中，可以减小晶粒尺寸，提高形 核率细化凝固组织，同时脉冲电流起到降低相变驱动力，引起磁致收缩效应和剪 切应力等，剪短枝晶，提高形核，晶粒细化，凝固组织得到改善。从而可知，电 脉冲可以作为一种新的处理材料的新手段新方式。 1 2 脉冲电场在其他方面的应用 1 2 1 脉冲电场对固体材料机械性能的影响 h c o n r a d 等人h 训研究发现，在一定的工艺参数的条件下，脉冲电流处理可以 使纯铜的再结晶温度下降，并使试样中退火孪晶的数量大大减少，使纯铜再结晶 后的长大速度也减小。这一变化与脉冲电流的频率有较大的关系，而与电脉冲的 宽度无明显的关系1 。研究人员还研究了脉冲电流对多晶铜疲劳性能的影响h 幻。 结果发现，虽然电脉冲处理过程中的电流实际作用时间非常小，但是材料的疲劳 寿命却比没有电脉冲作用的提高了2 3 倍，他们认为这主要是由于脉冲电流提高 了材料中滑移的均匀性。苏联科学家对z n 、a l 、p b 、f e 、c u 等纯金属进行了细致 的研究发现漂移电子风与位错的相互作用可以影响材料的内部结构，使金属材料 的脆性降低，塑性及延伸率均得到很好的改善“3 _ 引。 沈以赴等从仿生的角度出发，研究了低碳钢经大电流脉冲处理后改 善疲劳寿命的可能性。如表1 6 给出了该实验的部分结果。从表中我们可 以看出，疲劳实验开始前的电脉冲处理，疲劳寿命并无明显的变化，而在 疲劳实验中施加高密度脉冲电流来处理材料却可以使低碳钢的疲劳寿命 7 方波脉冲电流对a 1 s i 及a 1 c u 合金凝圊组织的影响 提高近很多，效果非常显著，明显的提高了疲劳循环次数 表1 6 脉冲电流的作用时间段与疲劳循环 四组试样的疲劳寿命 1 2 2 脉冲电场对非晶结构变化和纳米晶化的影响 黄金亮等7 1 发现非晶合金的f e 7 3 5 c u1 m 0 3 s i13 5 8 9 经电脉冲快速退 火后，发现得到更细小的，与常规等温晶化法相同组成的纳米晶，而且其 软磁性能达到甚至优于常规等温纳米晶的软磁性，韧性也得到了改善。认 为脉冲电流加热纳米晶化形成细小的颗粒，晶问非晶内成分近程有序受到 抑制，因此比等温晶化法的脆化程度减少引。滕功清等引先后对数种 f e s i - b 非晶合金进行了直流电脉冲处理，结果表明，直流高密度超短脉 冲电流可以有效地促进非晶合金的结构弛豫和晶化，与合金的化学成分和 热稳定性密切相关。 晁月盛引等人研究了高密度超短脉冲电流对f e - s i - b 非晶合金晶化过 程的影响，结果发现连续高密度超短脉冲电流处理可以明显促进非晶合金 晶化的结构弛豫与晶化，使非晶合金在远低于其晶化温度和很短的时间内 发生纳米晶化。 1 2 3 脉冲电流烧结技术 脉冲电流烧结主要是利用金属粉体的导电特性和电阻加热来实现材 料的致密化。后来人们采用低电压大电流来烧结金属材料。同时在烧结过 程中施加了压力，可以得到相对密度更高的材料。1 9 6 6 年i n o u e 哺1 1 发明了 放电烧结工艺，首次提出了放电烧结的概念：低频电流或者直流电源作为 电阻加热能源，较高频率的电源用于金属晶格的共振活化。发现高频电流 诱发金属颗粒之间产生放电现象，通过放电烧结可以制备致密的n i 、c o 、 w 、a g w 等金属和合金。 脉冲电流烧结技术的显著特点是快速低温制备材料，现在已经广泛应 8 硕士学位论文 用于金属与合金、结构陶瓷、复合材料、功能梯度材料、磁性及热电材料 等。 此外脉冲电场对金属的电致塑性哺2 1 和超塑性有良好的提高作用， 以及在金属裂纹愈合和止裂中有良好的表现3 曲引，对金属的金属疲劳性性 能也有很好的表现。 很多研究者都致力于研究脉冲电流对金属凝固组织的影响7 。6 1 1 。我们 不难发现电脉冲可以对金属凝固组织产生良好的作用，细化晶粒，改善凝 固组织，消除铸造缺陷，提高力学性能和机械性能，更重要的是具有无污 染、操作简单、通用性强、细化效果好等优点，对整个材料研究领域具有 十分重要的意义，这就预示着在电磁铸造有可能成为种新型的凝固控制 技术。 1 3 电场凝固技术的应用展望 众所周知，现在人们使用的很多金属零部件，都是由液态金属得到的， 其中一些是在铸态下直接使用，但是铸态材料中存在的宏观和微观缺陷， 比如缩孔、非金属夹杂、偏析、开裂等，所以凝固过程对铸态组织和性能 有着重要的影响。一般来说，具有细而均匀的凝固组织，会使逐渐具有良 好的机械性能和优越的加工性能。因此研究如何控制金属的凝固过程得到 细而均匀的凝固组织一直是人们研究的重点。 目前细晶技术主要有：化学细化法和物理细化法。电场凝固技术与传 统的添加化学细晶技术相比，可以避免环境和金属材料本身的污染，与电 磁搅拌技术相比，可以避免出现带状偏析。随着人们对环保、回收利用和 材料本身的诸多要求，电场凝固技术被广泛应用于冶金、铸造等行业中。 同时脉冲电流有作用时间短，输入能量高的特点，具有广阔的工业应用前 景。 1 4 本课题研究的目的与意义及研究的主要内容 铝及其合金的板、带、箔、管、棒、线、锻件等制品，愈来愈广泛的 应用于机器制造、交通运输、电气、航空、运输、化工等国民经济的各部 门之中。铝硅合金具有良好的流动性、铸造性能和耐磨性等，被广泛的应 用于各个行业，而现有的化学法处理铝硅合金，环境污染严重，将被逐渐 淘汰。脉冲电流施加于金属的凝固具有很多优点，具有广阔的前景，因此 把脉冲电流应用与铝硅合金的凝固具有重大的研究意义。 9 方波脉冲电流对a 1 s i 及a 1 - c u 合金凝蹋组织的影响 现代凝固技术的发展，在金属凝固过程中施加脉冲电流成为研究的热 点。根据施加电脉冲时间段的不同将其分为两种方式：一是在完全液态的 情况下( 过热状态) 向金属液中施加电脉冲，二是在合金凝固的过程中对 其施加电脉冲，处理方式的不同导致电脉冲对金属凝固组织的作用机制也 不尽相同。脉冲电流在凝固过程中，控制晶体形核和生长。但是目前的研 究主要运用在过热状态下的孕育处理，在凝固过程中的研究的相对较少， 机理也不是很明确。 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，还与脉冲电流的基波谐波有关。因 为正弦波、三角波和方波分别按傅氏级数展开，分别是基波和谐波的叠加， 即： 正弦波：国l ( f ) = 4c o s c o l t 卜l 三角波：删= 等扣) 百s i n ( 2 n 矿- 1 ) 6 0 l t 1 - 2 方波：删= 等喜篱 h 式中：。= 2 矾， 为振动的基频；a l ，a 2 ，a 3 ：分别为正弦波，三角 波，方波的振幅。 通过展开上述式子，可见方波的波形密度更大，谐波更丰富，能量更 大。所以在相同条件下对金属组织的影响更大。 本课题主要研究的目的是使用不同脉冲频率、辐值、脉宽对铝硅合金 凝固组织的影响，通过普通凝固研究脉冲电流对铝硅合金形核的主要影 响，以及脉冲电流对定向凝固组织的影响研究脉冲电流对凝固组织中晶核 的生长的影响，并对脉冲电流的作用机理进行探讨。 本课题研究的主要内容有： 1 研究不同的频率、辐值方波脉冲电流对铝铜合金( 金属一金属) 和铝硅 合金( 金属一非金属) 凝固组织的影响。 2 研究不同的频率、辐值方波脉冲电流对铝铜合金( 金属一金属) 和铝硅 合金( 金属一非金属) 定向凝固组织的影响。 3 分析研究试验结果并讨论脉冲电流对铝铜合金、铝硅合金的作用机理。 1 0 第二章方波脉冲电流对铝硅、铝铜合金凝固组织的 试验研究 电场凝固是新近发展的凝固技术，它能够显著细化金属凝固组织、减少铸造 缺陷、提高铸件力学性能。并且对环境和材料无污染、操作简单等优点，近年来 倍受关注因此研究电场凝固技术具有实际应用的重大意义，是一种前景广阔的凝 固技术。本章的主要内容是，不同的方波脉冲电流频率对铝硅、铝铜合金凝固组 织的影响进行了研究。 2 1 实验装置及方法 2 1 1 实验装置 本试验采用的装簧主要包括：高能脉冲电源，n g c i 型金属单向凝固 试验仪、5 0 2 0 型示波器、x m t 一5 0 0 0 温拄仪、钨电极等。 1 脉冲电源装胃 脉冲电源的性能参数：脉冲电流幅值：o - 8 0 a ；脉冲频率：5 0 1 0 0 0 h z ； 脉冲宽度：1 0 一1 5 0 “5 ；唆脉冲电源可手动转换，可输出单极性和双极性的 脉冲电流，试验设备如图21 所示。 图21 脉冲电流对凝固组织影响的试验装置和原理 一释 v 凌尝一 三戮 _ 】一 一挑拣靶磊 誉一 一燕攀，皆襄 、tu一#肇_氅 a 浊脉冲t b 洫wa l - s l a l - c u 台0 掇l n 组织# 响 2 定向凝固试验装置 定向凝固装置是n g c i 型金属单向凝固试验仪，采用双区加热，试验 时两区的温度是相同的，目的是在固液界面前方有一个稳定的热源，来提高 和稳定固液界面前方的温度梯度。试验设各如图2 2 所示。 工作原理 满 幽22n g c1 型金属定向凝固试验装置 目社目 酗23 定向凝固装置示意斟 鞠鞴 硕f j 学位论义 如图2 3 所示的装置中，该定向凝固试验设备主要包括加热系统、牵引 系统、冷却系统。 a 加热系统的功能主要是熔化和保温，这是试验的前提条件。 b 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，牵引棒用耐高温而且导热性能良好的不锈钢材制作，并与传动装置相 连，主要是起导热作用，牵引速度o 8 m m m i l l 范围内。 c 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。本装置采用循环水冷却。 3 电极 在试验中电极的选用应该符合如下要求：( 1 ) 耐高温，耐热冲击性能好； ( 2 ) 导电性能好；( 3 ) 不污染金属液或污染较少；( 4 ) 制作电极的材料来源容 易，制作成本不太高。 依上述原则，本试验采用钨电极。电极长1o o m m ，直径1 2 m m 。 2 1 2 实验用原料及其制备 实验所用材料a 卜si 合金，属于简单的共晶类，如图2 4 所示，硅在固 体铝中的溶解度于共晶温度( 57 7 ) 时为1 6 5 ，随着温度的下降，溶解 度亦逐渐减小；到室温时仅及0 0 5 左右。如硅含量大于12 6 时( 例如 a l si 中间合金) ，则生成的组织是初晶s i 及口( a 1 ) + s i 共晶。 实验选用共晶a 卜l2 6 si 和过共晶a 1 - 2 0 si 两种成分合金。 w e i g h tp e r c e n ts i l i c o n p 筮 暑 臣 & 墨 0 图2 4a i si 合金平衡图 1 3 方波脉冲f u 流对a 1 s i 及a 卜c u 合金；疑纠i 织的影响 a 卜c u 合金系属于典型的固溶体系合金。铝铜合金相图中铝端的相图， 如图2 1 所示。由该图可知铜在铝内的溶解度在共晶温度( 5 4 7 ) 时约为 5 7 ，而室温则降至0 1 以下。铝端的固相线及液相线大致呈直线。a 1 c u 合金共晶点的含c u 量为3 3 2 ，试验选定了a i - 5 c u 和a i - 5 0 c u 两种成分 的a 卜c u 合金。 胀驴o 粕 ： ? 一 ；盘体 r ”z “= 一 一、 一、埘“： 。k _ ，_ “3 32 。i 6 全c o k 、h。_ l 。神飞垂l _ = c a i 蹦 b 铲 f s 龟5 0 a j c _咙 c ，一 l t i 。 。一2 t t ， i i 3 。2 气 i k 型；建，c 图2 5al - c u 合金系铝端的相图 试验材料的制备： 熔炼是合金铸件生产过程中的一个重要环节，它包括合理的选用熔炼 设备、工模具及金属原材料，正确的配料计算，炉料处理，熔剂的制备， 科学的熔炼工艺及严格认真的操作。 1 铝硅合金的制备 首先将石墨坩埚预热到5 5 0 6 0 0 o c ，然后向坩埚内加入预热到2 0 0 3 0 0 的铝锭并升温使其熔化，全部熔化后，将其过热到9 2 0 9 8 0 0c ，然 后除去表面的熔渣，分批加入预热到2 0 0 - - 一3 0 0 0c 的定量的碎块硅，用石墨 钟罩将其压入到铝合金液中的，压入后随时缓慢转动，降温到7 3 0 7 5 0 0c ， 除去熔渣，用炉料总重量的3 的六氯乙烷装入钟罩压入到熔液中精炼合金 液5 8 m in ，精炼完后，静置6 8 m in ，当温度降至7 0 0 - 73 0 0c 时，浇入模 具成型( 棒材) 。 一 2 铝铜合金的制备 用纯度为9 9 7 工业纯铝和9 9 9 9 电解纯铜熔化配制成中间合金，然 后，将中间合金再熔化配制成所需要的a 1 - 5 c u 亚共晶和a 1 5 0 c u 过共 晶合金。最后浇铸的试样规格为矽1 6 x 1 0 0 m m 棒材。 1 4 硕l j 学位论文 合金熔炼后用六氯乙烷除气，在的一定的过热度下浇注。在浇注前将 铸型预热到2 0 0 ，并在铸型表面涂刷涂料，涂料成份为：z n o ：水玻璃 ( 2 5 - 3 0 z r 0 + 3 - 5 n a ：s o 。) ：水= 2 5 3 0 ：3 5 ：余量，并用电阻炉烘 干。 2 1 3 实验方法 1 脉冲电流对a i - s i 合金和a l - c u 合金普通凝固作用的试验过程 脉冲电流对a 卜s i 合金和a 1 一c u 合金普通凝固作用的试验过程为： 试验时将规格为够1 8 8 0 m m 的a 卜l2 6 si ( a 1 - 2 0 s i a l - 5 c u a l 一5 0 c u ) 合 金棒材，放入尺寸为4 2 0 x l o o m m 的陶瓷管中，用自制的粘合剂将陶瓷管封住， 将下端封死，使电极在陶瓷管底部中心伸出，上下两端插入电极，加热熔化 合金。将n i c r - n i a i 的k 型热电偶装入陶瓷管中液态合金的中心位置测温。 待合金液的温度在7 0 0 ( 7 6 0 8 0 0 8 0 0 ) 保温l0 分钟后，停止 加热，进行脉冲电流处理。对试样从熔化后到凝固完毕一直通有方波脉冲电 流。通电方式见示意图2 6 所示。 1 图2 6 普通凝固通电方式示意图 1 热电偶2 电极3 坩埚4 金属熔体 待试样冷却后，将试样沿长度方向中心切开成两个试样( 一个备用样) ， 取其横截面做金相观察，经常规预磨，抛光后腐蚀，铝硅合金腐蚀液的成分 为氢氟酸：蒸馏水= 0 5 ：9 9 5 ( 体积比) ，铝铜合金腐蚀液的成分为硝酸： 氢氟酸：蒸馏水= 6 ：2 ：9 2 。在室温下腐蚀时间3 5 s 。经腐蚀后的试样用酒 精擦拭干净，电吹风吹干，分别在金相显微镜下观察其显微组织。 2 脉冲电流对a 卜s i 合金和a i - c u 合金定向凝固作用的试验过程 1 5 方波脉冲f 巳流对a 1 s i 及a i c u 合金凝组织的影响 脉冲电流对a i - s i 合金和a i - c u 合金定向凝固作用的试验过程为： 将陶瓷管直接套住牵引棒，电极同时伸入陶瓷管底部，以保证与试样接 触优良，用自制的粘结剂把牵引棒和陶瓷管粘住。然后把已熔炼好的合金棒 材放进瓷管坩埚内，调节冷却距离，用牵引装置上的夹紧装置把牵引棒夹住。 待合金液的温度达到7 0 0 ( 7 6 0 8 0 0 8 0 0 ) 时，并保持此温度 l0 m in ，使母合金充分熔化和元素间充分扩散；然后通流动冷却水、施加脉 冲电流，启动牵引机构，开始牵引。在试样全部脱离高温区，试样温度基本 在熔点以下凝固后，此时停止通脉冲电流，停止加热、牵引，稍后停止通冷 却水。如通电示意图2 7 所示。 图2 7 定向凝固通电方式示意图 i 、2 电极3 加热炉4 金属液5 冷却水6 牵引机构 把经过工艺处理后的试样沿横截面和纵截面剖开，切成小块，预磨、抛 光后腐蚀。经腐蚀后的试样用酒精擦拭，电吹风吹干，分别在金相显微镜下 观察其显微组织。 2 2 实验结果 2 2 1 未经脉冲电流处理的a 1 s i 和a 1 c u 合金普通凝固组织 1 未施加脉冲电流处理的a i - 12 6 s i 共晶合金和a i - 2 0 s i 过共晶合 金凝固组织如图2 8 所示。 1 6 $ ! j 学位论女 ，4 ： i ( a ) 妊品a 卜l26 s i 合金凝i 刮组织 b ) 过共晶 l 一2 0 s