（机械设计及理论专业论文）铝合金在脉冲磁场作用下的定向凝固技术研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文黄小星 摘要 本文研究了在脉冲磁场的作用下。a l c u 合金的定向凝固组织演变规律， 并用a n s y s 有限元软件分析了在脉冲磁场作用下，熔体里的磁场分布特征， 同时通过电磁流体力学方程的推导，分析了熔体所受的电磁力和速度的分布特 点。通过该课题的研究，我们取得了以下研究成果： 研制出了额定充电电压可达1 0 0 0 v 的大功率、高强度、高频率的脉冲磁场 发生设备。该设备对充放电时间及充电电压具有良好的可控制性，可调性。铁 芯导磁体的设计，很好的解决了脉冲磁场和定向凝固设备的匹配问题，使金属 试样能够在强脉冲磁场中实现定向凝固。 对脉冲磁场发生设备产生的磁场进行了a n s y s 有限元的数值模拟。模拟出 了磁力线在金属熔体中的分布情况，同时通过对电磁流体力学方程的推导，结 合模拟出的磁力线的分布，分析出了金属熔体中的电磁力和速度的分布特点。 实验分析发现在定向凝固的条件下，随着脉冲磁场强度的增加，枝晶间距 和共晶团簇数均由小交大再变小。从电磁力，能量的角度和焦耳热的角度分析 指出了脉冲磁场对金属凝固组织不但具有细化的作用而且还具有粗化的作用。 其对晶粒尺寸的作用存在一个极值。同时还发现随着脉冲磁场强度的增加，柱 状晶的形态也发生改变。并同时使用丑一理论和分形理论解释了这种变化的原 因。 此外实验研究还发现在同一输入电压下，改变放电时间，随着放电时间的 加长，晶层片间距变大，共晶团簇数交大。柱状晶组织形态也发生改变。同时 通过定量描述指出了对磁感应强度和放电时间进行合理的匹配，是控制 脉冲磁场作用下合金的定向凝固晶粒细化的关键因数。 关键词：脉冲磁场定向凝固a n s y s 有限元模拟枝晶间距枝晶形貌 西北工业大学硕士学位论文黄小星 a b s t r a c t u n d e rt h ep u l s em a g n e t i cf i e l d w es t u d i e dt h er u l et h a ta l c u a l l o yd i r e c t i o ns o 1 i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ec h a n g e d 、a l s oa n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i ct h ep u l s em a g n e - t i cf i e l dd i s t r i b u t e di nt h em e l t i n gm e t a l 稍ma n s y sc o d e t h e nw e a n a l y z e d t h e c h a r a c t e r i s t i ct h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r o ea n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i n gi nt h em e l t i n gm e t a l b ya n a l y z i n g t h ee q u a t i o no f e l e l c t r o m a g n e t i cl i q u i dm e c h a n i c s w ed r a ws o m ec o n c l u s i o n sb y s t u d i n g t h ep a p e r w e d e v e l o p e d t h er a t e dc h a r g i n g v o l t a g eb e i n ga b l e t oa m o u n tt o1 0 0 0 v b i g p o w e r h i g hs t r e n g t h h i g hf r e q u e n c i e s o f t h e p u l s em a g n e t i cf i e l de q u i p m e n t t h a t e q u i p m e n t h a st h eg o o d c a p a b i l i t yi nc o o n t r o l i n ga n da d j u s t i n gt h ec h a r g i n g t i m e 、 d i s c h a r g i n ga n dc h a r g i n gv o l t a g e d e s i g n e di r o nw a sg o o d t os o l v et h em a t c h i n g p r o b l e mo f t h ep u l s em a g n e t i cf i e l de q u i p m e n ta n d t h ed i r e c t i o ns o l i d i f i c a t i o ne q u i - ! c ) m e n t t h e r e f o rm e t a ls a m p l e sc a nr e a l i z et h ed i r e c t i o ns o l i d i f i c a t i o n w es i m u l a t e dt h et h em a g n e t i cf i e l dt h a tt h ep u l s em a n g e n e t i cf i e l de q u i p m e n t p r o d u c e dw i t ha n s y s c o d e w es i m u l a t e dt h a tm a g n e t i cl i n e so ff o r c ed i s t r i b u t e di n t h em e l t i n gm e t a l a n dw e a n a l y e d t h ec h a r a c t e r i s t i ct h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c ea n d v e l o c i t yd i s t r i b u t e di nt h em e l t i n gm e t a lb ya n a l y z i n g t h ee q u a t i o no f e l e l c t r o m a g n e - t i cl i q u i dm e c h a n i c s t h e e x p e r i m e n t d i s c o v e r e dt h a tt h ed e n d r i t i cd i s t a n c ea n de u t e c t i ce e l lc l u s t e r n u m b e r sw e r ef r o ms m a l lt ob i g ，t h e nb e i n gf r o m b i g t os m a l la l o n ew i t ht h es t r e n g t h o f t h ep u l s em a g n e t i cf i e l di n c r e a s i n gi nt h ec o n d i t i o no f t h ed i r e c t i o ns o l i d i f i c a t i o n w e p o i n t e do u tf r o me l e c t r o m a g n e t i cf o r o e 、e n e r g ya n di o u l eh e a ts i d e st h a tt h ep u l s e m a g n e t i cf i e l dn o to n l yc o u l dm a k e t h em e t a ls o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eb e c o m es m a l l b u ta l s oc o u l dm a k ei tb e c o m e b i g t h ep u l s em a g n e t i cf i e l dh a d a ne f f e c to nt h ec r y s - t a l s i z e t h es i z eh a dam a x 0 nt h e0 t h e rh a n dw ed i s c o v e r e dt h es h a p e o f c y l i n d r i c a la l s ow a s c h a n g e d i n t h ee n dw e e x p l a i n e d t h ec h a n g i n gr e a s o nw i t h t h e o r ya n d s e g r e g a t i o nt h e o r y i na d d i t i o ni nt h ec o n d i t i o no f t h es a m e i n p u t t i n gv o l t a g ew e s t i l ld i s c o v e r y e d t h ed e n d r i t i cd i s t a n c ea n de u t e c t i cc e l ic l u s t e rn u m b e r sb e c a m e b i gw h e n t h et i m eo f d i s c h a r g ei n c r e a s e d a t t h es a r n et i m et h es h a p eo f c y l i n d r i c a la l s ow a sc h a n g e d i t w a s i m p o r t a n tt h a tw e c h o s et h er i g h tm a g n e t i ci n d u c t i o ns t r e n g t ha n dt h et i m eo fd i s - c h a r g ef o rr e f i n i n gt h em e t a ls o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e k e yw o r d s ： a n s y ss i m u l a t i o n p u l s em a g n e t i c f i e l d d e n d r i t i cd i s t a n c e d i r e c t i o ns o l i d i f i c a t i o n d e n d r i t i cs h a p e 西北工业大学硕士学位论文 黄小星 第一章绪论 随着科学技术的的进步，人们对材料的性能有了越来越多、越来越高的要 求，而提高材料眭能、开发新的材料常常离不开新的工艺方法。材料的电磁工 艺( e p m ：e l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s s i n go fm a t e r i a l s ) 正是这样的一种新兴 工艺。它是近来十分热门的研究领域，已被广泛地应用于电磁悬浮熔铸、除冰、 雾化、搅拌、成型、铸造、焊接等。研究对金属的凝固过程施加电磁场以控制 凝固组织、细化晶粒，对改善金属材料的机械性能和加工性能具有重要的意义。 众所周知，常温下，具有细小的等轴晶粒的凝固组织材料具有优良的综合 机械性能和加工性能。而要实现对金属凝固组织的细化，往往需要采取特殊的 铸造方法和工艺技术来实现，至今对金属凝固组织细化技术的研究仍是金属材 料研究中十分重要和热门的研究领域。人们现己发展了很多工艺方法来细化金 属材料的凝固组织，如机械搅拌、电磁搅拌、各种振动等。而对铸件的凝固过 程施加电磁场处理，可获得明显的细化效果，尤其是电磁场处理以其不改变合 金的原有成份、无污染、无接触、操作方便、效果显著等优点，而受到人们的 高度重视。 近年来，材料的电磁工艺技术在有色金属、钢铁以及半导体材料的冶金及 加工过程的各个领域中得到广泛的应用和发展。如钛合金的熔炼和连续铸造， 半导体多晶硅的连续铸造，在钢的连续铸造中应用电磁力强化等都在努力开 发和研究。目前，不少学者特别注意材料的电磁处理方面的研究工作，但各有 其不同的侧重点。如日本的电磁冶金基础部研究的对象主要针对金属熔体在使 用直流电、磁场所出现的问题：法国以交流电场对金属熔体作用而引起的问题 作为主要研究范围；英国、美国及俄罗斯等国则着重于进行电磁场对金属熔体 流动的促进以及抑制功能等方向的研究。 我国在2 0 世纪6 0 年代曾对电磁场应用于铸造过程进行研究。2 0 世纪8 0 年代初期，随着连续铸钢技术的迅速发展，又开展了钢的电磁搅拌方面的研究。 我国在铝熔池电磁搅拌和铝含金电磁铸造的研究和开发。2 0 世纪8 0 年代初成功 进行了铝合金大断面方锭电磁铸造的工业化的实验。同时也开始了对金属电磁 离心铸造、钢的电磁铸造、悬浮熔炼等方面进行了研究。电磁冶金日益受到国 内冶金界的重视。 西北工业大学硕士学位论文黄小星 然而通过分析发现这些电磁冶金学的应用研究事例都是对作用在金属熔体 上的场源加以形式上的简单区分，并没有考虑这些金属熔体在不同的场源作用 下，自身的凝固方式也改变的条件下，其凝固组织的变化特点。而且这些研究 所用的材料还主要集中在低熔点、便于开展实验研究的p b s n 等合金，而对于 工业和e t 常生活上应用广泛的铝合金等高熔点材料还涉足较少。同时这些研究 还基本停留在实验室阶段上，可以说是属于起步阶段，对于其细化机制的认识 还不很清楚，更谈不上形成较成熟的理论体系和进一步地推广应用于工业化生 产。显而易见，对那些高熔点金属和合金材料凝固组织的细化研究，才更具有 广泛的代表性、更大的应用价值和现实意义。 因此要真正达到利用电磁场来进行实际的凝固控制必须解决一系列的技 术和理论问题： 1 系统研究磁场与晶粒细化效果之间的定量关系或规律。 2 研制可用于生产的专业设备和装备，以便安全、灵活、可靠的对凝固系 统施加台乎要求的磁场。 3 研究不同材料在磁场作用下的凝固行为，以便扩大应用范围。 鉴于此，本论文选用被广泛使用的a l c u 合金作为研究对象，自行研制一 套脉冲磁场发生设备，把其产生的脉冲磁场作为一种瞬态能量和重要的外界能 量( 以作功的形式) 注入其凝固过程，同时，采用定向凝固的方式，以此来控 制其凝固，加以研究其凝固组织变化情况。 我们有理由相信，通过本课题脉冲磁场的定向凝固技术的深入研究， 不仅可以用来改善金属及合金材料的凝固组织和性能，还有望成为工业上有效 的控制凝固晶粒尺寸和提高性能的新技术，而且，探索这一技术相关理论与实 践的结合，使它也可能应用于粉末冶金、非晶和纳米晶等材料的制备过程，以 推动国民经济的快速发展。 西北工业大学硕士学位论文黄小星 第二章电磁冶金技术的发展及其在材料 制各中的应用 2 1 电磁冶金技术的发展历程 电磁用于冶金生产有一个发展过程。大致经历了孕育期、开始应用期、发 展期三个阶段。 1 孕育期。早在1 8 2 3 年，法拉第就研究海洋流动和地磁场的关系，开始注 意磁流体力学现象。布劳贝克在1 9 3 2 年认识到旋转磁场可使流体旋转。 2 开始应用期。1 9 6 1 年朗金贝格就发现，交变电磁场会将凝固过程中的钢 锭晶粒细化，这促使泡普麦尔等人把电磁搅拌应用到钢的连铸生产上。 3 发展阶段。1 9 8 2 年9 月在英国剑桥大学，由国际理论力学和应用力学协 会( i u t a m ) 首次主持召开电磁流体在冶金中的应用的国际会议，它标志着电 磁冶金技术已在国际学术界引起了重视。受r u t 舢v f 研讨会的启发。日本钢铁 协会( i s i j ) 研究委员会的下属组织炼刚未来技术的调查、研讨委员会，明 确提出了可将磁流体力学应用到冶金领域中的有关问题作为重要的研究方向。 1 9 8 3 年日本钢铁协会决定，把电磁流体在冶金中的应用作为日本未来制钢技术 的四个主要革新之一。并于1 9 8 5 年建立了“电磁冶金委员会”。电磁冶金开始 明确成为冶金学的一个分支。 从最近二十年电磁冶金技术的发展来看，其主要在采用了直流磁场、交流 磁场和旋转磁场改变金属熔体内对流及其溶质传输行为，从而影响到凝固组织 和材料成形过程。近几年来，在电磁场的直接作用下金属材料的超塑性成形、 强化相的均匀化及其凝固组织的细化等物理冶金现象，已引起了研究者们的极 大兴趣。 2 2 金属熔体在电磁场中的物理冶金现象及其机理 2 2 1 金属溶体在直流磁场中的“抑流现象” 西北工业大学硕士学位论文黄小星 直流磁场与金属熔体之间的交互作用具有“电磁制动”( e m b r ：e l e c t r o m a g n e t i cb r a k e ) 的现象。当导电流体在直流磁场中运动时，将在其内部产生感 生电流，从而产生l o r e n t z 力，根据左手定则该力具有抑制熔体运动的作用。 直流磁场的这一特性已被人们成功的应用于连续铸造过程，用来减少残留在熔 体中的熔渣。直流磁场的另一主要作用是控制晶体的生长过程，因为晶体生长 需要一个稳定的传热、传质环境，而熔体中的对流对热量、动量、质量传递过 程的影响会极大地影响到晶体生长的质量。利用外加的直流磁场可以有效地抑 制熔体中的对流，防止晶体生长过程中缺陷的形成。直流磁场的强度和方向都 对晶体生长过程中的热量、质量和动量传输过程影响很大1 1 1 j 。 2 0 世纪6 0 年代，u h l m a r m 4 l 等人考察了0 2 t 直流磁场对a 1 c u 合金凝固组 织的影响，发现无磁场时凝固组织是等轴晶，而外加直流磁场后组织反而成为 完全的柱状晶。他们认为这是由于熔体中的对流被抑制造成的，因为对流被削 弱会减少枝晶臂的熔化和晶核被带入液体中的机会，所以也就减少了凝固过程 中等轴晶的生长数量。u t e c h 等人p 】利用0 1 7 t 的直流磁场消除了半导体材料 i n s b 定向凝固组织中的带状偏析。带状偏析是由于凝固界面推移引起的紊流作 用造成的，所以，当施加一个与晶体生长方向相垂直的直流磁场后，既可抑制 对流以及相伴生的温度起伏，又可以消除了带状偏析。 8 0 年代，b o e t t i n g e r 等人【6 l 通过对p b s n 过共晶台金的垂直定向凝固的研究 发现，熔体对流可以导致宏观偏析，但即使采用强度为o 1 t 的直流磁场来抑制 熔体对流，也对宏观偏析几乎没什么影响。后来v i v e s 等人i7 】在研究中发现， 当引入与重力平行的直流磁场后。液相向固相的转变被推迟，传热速率降低。 在一定的过热度下，在磁场中凝固的组织倾向于形成柱状晶，且柱状晶的宽度 也较大。但当过热度足够低时，则无论有无外加直流磁场都会形成等轴晶组 织，区别是在磁场中凝固的组织比较粗大而己。 k i s h i d a 等人【g j 研究了p b s n 合金在直流磁场中凝固规律时。发现其直流磁 场可加速液相线以下的凝固降温过程，并且磁场方向不同，凝固降温过程也不 尽相同。这与磁场作用下金属热量散失速率的降低与液相对流受到了抑制有关， 此时不仅熔体中晶体的形核率发生下降，而且也使凝固过程中所形成的异质晶 核不易被带到熔体中部去所以，在较大的温度梯度的环境中，反而会凝固成 柱状晶组织并发生等轴晶向柱状晶组织的转化。t e w a r i 等人通过对外加强度 为0 4 5 t 水平磁场的p b s n 合金凝固组织的研究发现，虽然磁场对凝固组织的 成份偏析无影响但由于水平磁场的引入却使熔体中的对流产生了各向异性， 西北工业大学硕士学位论文黄小星 因而，水平磁场改变了凝固组织中胞状晶的生长形态。王艳等人研究了直流磁 场作用对过共晶a 卜s i 合金定向凝固组织的影响。发现直流磁场可促使富s i 相 特殊表面的形成，无论所施加的直流磁场方向是水平还是垂直于样品的轴线方 向，直流磁场力对熔体均无搅拌作用：但当磁感应强度大于0 2 4 t 时，则开始 形成s i 的宏观偏析现象，且偏聚层的厚度随磁感应强度的增加而增加。 2 2 2 直流磁场与电场的交互作用及其应用 一些研究者在加上直流磁场的同时，还在熔体中通入了直流或交流电流， 研究两者的交互作用对凝固组织的影响。 c 0 1 e 等人“”发现两场的交互作用使熔体产生强制对流，该对流不仅细化了 凝固组织，还使液态金属的降温速率增加。m o r a n d o 等人。”则认为，柱状晶一等 轴品之间的细化转化不仅受到熔体对流的影响，而且还受到铸件尺寸和过热度 等因素的影响。a s a i 等人“”通过研究发现，直流磁场与直流电场的交互作用可 使熔体中产生一定方向的电磁力，而该电磁力引起的熔体流动可显著的细化宏 观凝固组织；而熔体在直流磁场和交变电场的交互作用下会产生交变电磁力， 引起熔体振动，但这种作用并未使宏观组织发生明显变化。k o b a y a s h i 等人。 研究了用在直流磁场中低速( 指转速小于l o o r p m ) 旋转模具的办法来实现电磁 搅拌结果在不锈钢的凝固组织中产生不同比例的等轴晶粒区。同时还发现， 等轴晶区的比例与h a r t m a n n 常数并无一定的关系，而取决于模壁处的切应力和 最大流动速率。该研究成果为由枝晶臂断裂诱发的等轴晶形核的理论提供了依 据。v i e r s 。”研究了直流磁场和交流电场共同作用下所产生的电磁振动对亚共晶 铝合金凝固过程的影响，发现该振动促进了凝固组织由柱状晶向颗粒状晶的转 化。r a d j a i 等人“”通过对a 卜s i 合金在直流磁场和交流电场共同作用下所产生 的电磁振动现象的研究发现，发现单独施加的交流电场或直流磁场对凝固组织 几乎无影响，而同时施加后凝固组织中悬浮的s i 粒子数量增加但尺寸减少，宏 观凝固晶粒被细化。他们分析认为这与电磁振动产生的空化效应把s i 粒子挤碎 有关。后来，r a d j a i 等人“”又研究了电磁振动的强度和频率对a 卜s i 合金亚共 晶组织细化的影响，结果发现，低强度的电磁振动可使完全柱状树枝晶转变为 粗大等轴晶，而且随着电磁振动强度的增加，磁压力增加，造成树枝晶被折断、 等轴化、均匀化且细小的弥散的晶粒开始形成；若进一步增加强度，则凝固 组织就以细小的等轴晶晶粒为主。低频电磁振动时，凝固组织由粗大的等轴晶 组成，随着频率的增加，凝固组织由粗大等轴晶转变为细小和均匀的等轴晶。 但当振动频率进一步增加达到1 5 0 0 h z 时，就开始出现反向变化，而尤其是当 西北工业大学硕士学位论文黄小星 频率超过1 0 0 0 0 h z 时，凝固组织开始出现柱状晶逐渐变成完全的柱状树枝晶。 该文作者分析认为，当电磁振动的频率和强度相匹配时，电磁振动所产生的空 化效应是凝固组织被细化的主要因素。同时指出了纯碎的机械振动、单独的磁 场或电场均不能对凝固组织产生影响。 直流磁场与交流电场的交互作用应用研究工作中比较富有代表性的是磁离 心凝固技术。它是指随着铸模模具的转动，熔体金属与外加的直流磁场的交互 作用形成了电磁力而在该电磁力的作用下，熔体发生与转动方向相反的相对运 动，从而产生了电磁搅拌。又由于在电磁离心凝固过程中，金属熔体不仅受到 电磁力的作用而且还受到很强的离心力作用，这就决定了其凝固过程的特殊 性。同时，由于结晶前沿存在着较强的液相流动，柱状晶发生迎流倾斜生长， 进而被折断，为等轴晶的形成提供了形核条件，促进柱状晶向等轴晶的转变。 在直流磁场作用下的熔体中还可以产生热电磁对流效应( t e ：t h e r m o e l e c t r o m a g n e t i cc o v e c t i o n ) 而热电磁对流效应是外加的直流磁场与热电流相互作 用的结果。在凝固系统中，形成热电磁对流效应所需的条件有两个：1 系统中 须包含两种以上具有不同热电性的组元；2 在较高的温度梯度下发生凝固。这 两个条件在金属和合金的枝晶前沿很容易得到满足，因为液一囿界面是非等温 的，两者之间存在热电势差，即在凝固界面处存在热电势的突变；这时，如果 固、液两项均为导体则会产生热电流。热电流与外加的直流电磁场的相互作 用也产生电磁力该电磁力引起熔体的流动。虽然这种对流仅集中于凝固的前 沿，但却能够极大地影响到液一固界面处的传热、传质、动量传递和晶体的形核 与长大过程。所以，在直流磁场中凝固时，熔体金属不仅会受到因电磁感应使 熔体与该直流磁场相互作用产生的电磁力( 即洛伦磁力) 的作用，而且还会受 到因热电流与该直流磁场作用产生的电磁力( 暂且叫做热电磁力) 的作用。 m o r e a u 等人“”则对t e m c 现象进行了较为详细的实验研究和数值计算。其 计算结果为，当凝固方向平行于磁场方向时，则发现熔体是绕着枝晶顶端流动 的，这种流动方式会较大程度地影响到该区域的溶质传输过程，进而会影响到 凝固组织的形貌。他还发现磁场强度存在一个临界值，当场强高于此临界值 时，则在熔体内部产生热阻尼现象。l i e l a u s i s “”在钢的连铸过程中也发现铸模 与钢液之间存在着很强的热电流，外加一直流磁场后不但改变了模壁处的熔体 流动方式，而且还可以防止铸模的损坏。 2 2 3 交流磁场和旋转磁场对金属熔体的作用 西北工业大学硕士学位论文黄小星 一般来说，在金属的凝固过程中，施加交流旋转磁场的作用和目的是对液 相产生电磁搅拌和电磁悬浮。 2 1 3 1 电磁搅拌 2 0 世纪6 0 年代，l a n g e n b e r g 等人“”报道了利用交流磁场可使商用钢锭的 凝固组织晶粒得到显著细化以后，该技术才得到了蓬勃的发展和广泛的应用。 在大部分的研究工作中，都是在定向凝固过程中采用旋转磁场来实现电磁搅拌 的。j o h n s t o n 等人“3 在对等轴晶的形核和细化机制的研究中指出，在电磁搅 拌作用下晶粒数目与合金化学成份、磁场强度和过冷度有关：等轴晶的细化主 要是枝晶臂被粉碎的结果。在对电磁搅拌作用下的共晶合金的显微凝固组织做 了研究后，发现规则和非规则的共晶组织在电磁搅拌作用下遵循着不同的变化 规律，而且在f e c 及a 1 - s i 合金中还会引起宏观成份偏析。t y l e r 等人”“利用 电磁铸造技术制备的铜合金铸件，发现铸件不仅具有细小的宏观组织，而且， 二次枝晶臂间距明显小于直接冷模铸造组织，宏观成份偏析程度也明显减小。 在国内，很多学者也对旋转磁场作用下不同材料的凝固过程进行了研究。 孙伟成等人”研究了直流磁场、旋转磁场、直流电场作用下a 卜c u 和a 1 一s i 合 金的凝固组织，发现直流磁场可促进柱状晶的形成，对晶粒起粗化作用，旋转 磁场可形成电磁搅拌，细化凝固组织，无论那种磁场再通一直流电，则细化效 果越明显，只是通过的直流电流强度有一饱和值，超过此饱和值，则晶粒反而 会发生粗化。徐林等人1 通过研究发现旋转磁场不仅对s n p b 合金起到改善 和防止偏析的产生、细化晶粒、提高机械性能的作用。而且还对合金的冷却曲 线产生较大的影响，并认为在旋转磁场作用下，是以下三方面的共同作用影响 着合金的凝固组织和冷却曲线：1 搅拌对合金起到散热作用；2 涡流电流对合 金的加热作用；3 对铸模型壁的冲刷作用。这样可以使型壁处的枝晶被冲刷、 熔断和脱落形成新的结晶核心，促进凝固过程。李子全等人。”研究了旋转磁 场作用下，z a - 2 7 合金初生相形貌演变过程及机理指出在低于液相线温度搅拌 时，枝晶发生弯曲变形、断裂、球形化和颗粒的聚集现象，而当高于液相线温 度电磁搅拌时，初生相会发生形核、球形生长和偏聚。刘国钧等人1 研究了交 变磁场作用下，搅拌工艺参数对z a 一2 7 合金的凝固过程及初生相组织形貌转变 的影响。研究结果表明当持续进行电磁搅拌时，凝固组织中初生相可转变为 细小的近似球形的颗粒，且其主要力学性能与经变质处理的样品实验结果相近， 而如果在电磁搅拌后再使熔体金属的冷却速度较快，则可使包晶反应减少，初 生的非枝晶固相颗粒和非平衡共晶组织增多。他们还发现，通过控制温度和电 西北工业大学硕士学位论文黄小星 磁搅拌速度和搅拌时间，可使基体组织的成份分布变得比较均匀，初生相趋于 非枝晶化。张奎等人”7 1 研究了交变旋转磁场对a 卜s i 合金凝固组织的影响发 现其凝固组织的形貌为具有类圆形轮廓的初生相晶粒浸润在细小的共晶体中 这与传统的凝固态枝晶组织有着显著差异。他们通过对半固态的、非固态的、 非枝晶组织演化机理的分析后发现，可把处于交变磁场中的液态金属视为导电 介质流，它与磁场的相互作用可在导电介质流中产生一彻体力，而半固态的非 枝晶组织就是在晶体的正常形核与长大过程中，受到这一彻体力的强烈混合抑 制作用而形成的。 张伟强等人o ”研究了电磁力和离心力共同作用下( 亚) 共晶a 卜c u 合金和 a 1 - s i 合金的凝固规律。结果发现在a 卜c u 合金中，电磁搅拌可促进激冷层内细 小柱状晶的形成，且内层组织由柱状晶向等轴晶的转化。在a 卜s i 合金中，电 磁搅拌可促进柱状晶的生长和等轴晶的细化，提高冷却速率可使共晶合金中柱 状晶生长受到抑制。在离心力场中凝固的共晶合金存在宏观成份偏析，电磁搅 拌或提高凝固速率均加重了a 卜c u 合金成份偏析，而电磁搅拌可以减少a 卜s i 合金的宏观偏析倾向。赵旭等人。1 通过对z l 2 0 2 合金的研究发现，旋转磁场引 起的电磁搅拌可打碎枝晶骨架，使其从柱状晶生长状态转变为等轴晶生长状态， 而且，随着磁场强度的增加，中心等轴晶区明显变大，晶粒明显变细。他们认 为在旋转磁场作用下，液态金属的流动呈以下特点：靠近铸模型壁处为层流， 中心处为紊流。层流前沿的液相流动速度取决于旋转磁场强度。场强越大，层 流速度越快，对型壁上的晶体的冲刷力也越大，从型壁上冲刷下来的晶体越多， 有利于等轴晶的形成并使晶粒得到细化，同时，随旋转强度的增加中心紊 流运动加剧，温度起伏大产生较多游离晶，也有利于等轴晶的形成和细化。 徐振湖1 通过研究发现，旋转磁场对初生硅具有很好的细化作用，且在变质处 理后再加旋转磁场，则细化效果更佳。旋转磁场使得初生硅集于表层，从而提 高了合金的耐磨性。 2 2 3 2 电磁悬浮 电磁悬浮是一种无容器材料处理加工技术，简称e m l ( e l e c t r o m a e n e t i c l e v i r a t i o n ) 技术。其工作原理就是利用金属熔滴与交流磁场相互作用产生的 电磁力使熔滴在悬浮状态下发生凝固。该技术由于避免了器壁与被处理材料间 的接触，因而避免了器壁污染，也避免了材料对容器的作用，因此无需考虑容 器的耐温、耐蚀、化学活性、表面状态等性能。加上电磁搅拌均匀，它可用于 制备高纯、高活性、放射性和高熔点材料。 西北工业大学硕士学位论文黄小星 利用高频电磁场对金属进行悬浮是由m u c k 于1 9 2 3 年提出的。，首次实验 是由0 k r e s s 等人”于1 9 5 2 年完成。随后陆续出现了许多种线圈装置，以便能 浮更多的金属。较为细致的工作是5 0 年代末由c o m e n e t z 作出的，他利用了 4 5 0 k h z ，1 0 k w 的高频源成功地悬浮起了几十种1 0 克左右的金属球”。 早期的工作特点是使用的高频源较小，而悬浮样品的尺寸较大。而且早期 的理论研究主要限于固体。其重点是在地面实验如落管，落塔。近年来，e m l 技术发展更快，美国、西欧、日本都对此研究投入了很大的力量。将无容器技 术列入了自己的发展规划。e m l 技术已发展到空间应用了。 虽然用电磁悬浮技术来加工金属样品有许多优越性，并且迄今为止已做了 大量理论和实验工作，但这种方法还未广泛应用于制备金属样品主要困难来 源动力学不稳定性，它最终将导致固体或液体样品脱离线圈系统的支持。 2 2 4 脉冲电流和脉动磁场对金属凝固组织的影响 何树先等人”研究了高密度脉冲电流对过共晶a l 1 9 s i 合金凝固组织的影 响。他发现：未经任何处理的试样凝固组织中含有大量的长杆状初生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，另外在试样的局部存 在初生s i 晶粒破碎现象他分析认为，这是由于在每一个输入周期内，脉冲电流 随时间的变化非常快，导致在熔体中也将产生一个变化的的磁场，磁场的迅速变 化，由此产生的磁场力将在熔体内部形成极强烈的振荡作用，促使熔体反复被压 缩不断地前进和后退。电脉冲对熔体的振荡作用：1 可以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：2 能够促进溶质的再分配，使 得凝固组织发生改变：3 强大的剪切力可以碎断长的杆条状枝晶，产生更多的形 核质心，促进枝晶向块状晶生长。当振荡作用发生于固液相间的时候，对于尺寸 较大的以小平面生长方式长大的初生s i 晶粒而言，强烈的电磁振荡就有可能“摧 毁”这种结合强度不高的小平面晶体，导致局部s i 晶粒的粉碎形成更多的微细 颗粒，这显然有利于增加形核质心的数量，达到细化或改良凝固组织的目的。同 样他。”1 还用高密度脉冲电流对a 3 5 6 铝合金凝固组织的进行了研究。他发现，当 电脉冲充电电压为1 0 0 0 v 时，电脉冲在凝固过程开始阶段输入对凝固组织的细 化效果比在凝固过程后期输入更明显。而当电脉冲充电电压为2 0 0 0 v ，并且在凝 固后期输入时，能够明显改变最终凝固组织形貌，由树枝晶转变为等轴晶组织。 他解释为这是由于产生的电磁力的大小所引起的。 西北工业大学硕士学位论文黄小星 唐勇等人 3 3 1 在研究电脉冲对高碳钢凝固组织的影响中认为，电脉冲处理时 间的长短对凝固组织的改善程度是不同的。处理时间分别为6 0 s ，1 2 0 s 时，柱 状晶似乎要比短时间处理3 0 s 或更长的时间处理1 8 0 s 是更容易长大。他们还认 为，电脉冲处理改善凝固质量的效果存在衰退现象。 葛丰德分别研究了振动脉动磁场和旋转磁场对不同的a 卜s i 和a 1 - c u 铝 台金凝固过程的影响，发现两种磁场均能显著地细化铝台金的等轴晶粒，且还 发现等轴晶的细化程度与磁场强度呈抛物线形关系。在脉动磁场的作用下，熔 体金属会受到脉动的电磁压力的作用，形成自上而下的凝固条件( 即定向凝固) 使缩孔集中到铸锭的顶部，从而减少了集中缩孔的深度。后来，葛丰德等人。“ 又报道了用脉动磁场方法消除了铝合金凝固组织的宏观缩松和显微缩松提高 了合金组织致密度，细化凝固组织晶粒和提高机械性能的研究成果，认为缩松 的消除是由于脉动的电磁压力增加了补缩压力、减少了补缩阻力所致，而致密 度的提高是因为脉动的电磁压力迫使液态金属反复的冲刷树枝晶之间的孔道所 致。从而促进枝晶晶粒的破碎。 訾炳涛p 7 】在他的博士论文中认为，在脉冲磁场的作用下，不仅可使熔体受 到收缩力的作用，产生收缩效应，而且还会受到舒张力的作用，产生舒张效应。 正是这两种作用力和变形效应的共同作用，影响着导电熔体的凝固过程和行为 以及凝固组织的形貌。同时，他认为在脉冲磁场下，脉冲输入电压越大，流过 输入回路和螺线管线圈内产生的脉冲磁场强度就越太，这样产生的洛伦兹力就 越大，由此产生的熔体振动或电磁搅拌作用也越强，显微组织中的树枝晶被碎 断的机会就更多，使枝晶变成细小等轴晶的程度就会越大。 2 3 电磁搅拌装置的工作原理及其类型 从以上的综述中不难看出，磁场和电场是相互伴生的物理场。金属组织在 电磁场中的变化及其物理冶金现象，实际就是磁、电场间交互作用的结果。下 面以电磁搅拌效应为例，论述电磁场的工作原理和技术手段。 2 3 1 电磁搅拌的工作原理 电磁搅拌技术应用于冶金过程已经历了较长的历史。自从瑞典人德雷夫斯 就发现用移动磁场可以在熔融的金属中产生足够太的搅拌力，达到较满意的搅 西北工业大学硕士学位论文黄小星 拌作用后，人们就研究了很多的电磁搅拌装置来满足科研和工业应用的需要。 尤其是用在铸造上的电磁搅拌装置。 连铸机用的电磁搅拌装置，可分为旋转磁场型、直线移动磁场型、螺旋磁 场型、静磁场通电型等多种类型( 见图2 - 1 ) ，使用最多的是前两种类型。从国 外使用情况看，圆坯、小方坯和一部分方坯多用旋转型，板型和多数方坯多用 直线型或静磁场通电型。这是由于随着铸坯断面的不同，各种搅拌所形成的钢 液流动范围、流动方向、流动阻力也随之不同。只有使搅拌装置尽可能适应铸 坯断面的工艺要求，才能得到较好的搅拌效果。 衙霈衙彩 图2 - 1 各种搅拌装置示意图 a 一旋转型；b 一直线型：c 一螺旋型；d 一静磁场通电型 螺旋及直线移动磁场型搅拌装置的工作原理与感应电动机类似，即当电动 机的定子线圈通入三相交流电时，定子就产生了一个旋转磁场( 旋转角速度： n = 6 0 r m i n l ) 。该旋转磁场切割转子的闭合导体时，导体内便产生感应电流。 感应电流与定子的旋转磁场相互作用驱动转子旋转。如果将定子铁心切开 并展成直线，即产生按正弦规律变化的波形磁场。若改变通入三绕组的电流相 序，则波形磁场的移动方向也随之改变。方坯电磁搅拌装置就是基于上述原理 而工作的。采用旋转磁场的搅拌装置，实际上就是运用异步电动机三相旋转磁 场原理，设计一个没有转子的三相二机异步电动机定子，保证定子内径中心达 到预定的磁通密度，产生三相旋转磁场以使未凝固的钢坯液心像三相异步电动 机转子一样旋转达到搅拌的目的。采用直线移动磁场的电磁搅拌装置，就是 利用波形磁场切割铸坯，使铸坯内产生感应电流并驱动铸坯内未凝固钢液运动， 达到了搅拌的目的。 西北工业大学硕士学位论文黄小星 2 3 2 电磁搅拌装置的基本类型 按搅拌线圈的卷线方法及铁芯构造的不同，生产实际中主要采用下述3 种 类型： 1 重叠型，其构造如图2 2 所示，其中u 相线圈和v 相线圈成重叠状配置。 它是线型电磁搅拌装置中的一种普通装置，可以得到圆滑的磁场，且容积大， 图2 2 重叠型电磁搅拌装置的构造 卜v 相线圈：2 一u 相线圈；3 一铁芯 并且铁芯的凿头磁通密度易饱和。从制造工艺上看，它要比另外两种搅拌装置 复杂。 2 凸极型，其构造如图2 3 所示。它的各个线圈里分离配置铁芯的体积 率大，可用作大容量的电磁搅拌装置。 咎昀t 爝肯冉亡= = 图2 3 凸极型电磁搅拌装置 3 筒卷型，其构造如图2 - 4 所示。它在制造工艺上比前丽种简单，在连铸 机上安装时也很少受到限制，但漏磁率高。搅拌效率低。 西北工业大学硕士学位论文黄小星 咎动硅增方向 匕= = = 图2 4 简卷型电磁搅拌装置 2 4 本论文的选题依据及研究内容 根据前面的文献评述可以看出电磁冶金学的应用研究具有以下几个特 点： l _ 研究了金属熔体在单一的或者是混合的场源的作用下，其凝固组织晶 粒的大小和形貌的变化，并也分析了相关的变化机理，但没有对作用在熔体上 不同场源的性质和特点加以研究，只是简单的加以形式区分。 2 研究了熔体在不同的场源作用下的凝固变化，却没有研究熔体自身的 凝固行为也改变的条件下，其凝固组织的变化特点。 通过对前人的研究特点的分析本论文将以脉冲磁场生成设备的研制作为 目标，通过有限元计算分析软件来分析磁场的分布特征并分析研究脉冲磁场 的工艺参数对a l c u 共晶凝固组织的作用机理。论文工作包括如下几方面的内 容： 1 研制额定充电电压可达1 0 0 0 v 的大功率、高强度、高频率的脉冲磁场发 生设备。要求该设备对试验所需的参数：充、放电时间及充电电压具有良好的 可控制性，使其在所能达到的范围可自由的调节。 2 完善强脉冲磁场发生设备与定向凝固装置间构造的匹配，使实验时能够 实现金属试样在强脉冲磁场中定向凝固的任务。 3 利用电磁场基本理论方面知识，通过a n s y s 软件模拟完成脉冲磁场强度 的磁场强度分布曲线，并据此分析脉冲磁场对熔体的性质影响。 嬲 硅北工业大学硕士学位论文黄小星 4 研究a i - c u 共晶在脉冲磁场的作用下，其定向凝固组织的变化特征，并 通过对实验结果的分析，总结出脉冲磁场的场强大小，及充、放电时间的长短 对金属凝固组织的影响。 西北工业大学硕士学位论文黄小星 第三章脉冲磁场设备的研制及其 定向凝固实验方案 脉冲电流是产生脉冲磁场的条件。过去设计的脉冲电磁场设备都是按把试 样直接放在线圈中凝固来设计的，没有考虑与定向凝固设备配合问题。本课题 要根据脉冲电磁场发生设备与定向凝固设备的匹配原则来进行设计。 3 1 脉冲磁场设备设计原理 脉冲磁场设备是采用脉冲输入的工作原理，生成脉冲电磁场。该设备的电 路部分主要是由控制电路和充放电电路两部分组成。控制电路组主要是实现对 电容充放电的控制，充放电电路是典型的i 卜c _ _ i ，电路，即电阻一电容一电感 电路。如图3 1 所示。 l r 图3 一l 充放电路原理图 首先由充电回路把交流电网中的电能，通过调压器、高压变压器、整流电 路、限流电阻及相关的元器件，传送到高压脉冲电容器中储藏起来，这就是对 脉冲电容器的充电过程，充电目的是为了能使负载获得足够大的能量。而放电 回路的作用就是在很短的时问内，把脉冲电容器所储藏的大量电能快速释放 到负载上去。当由设备的控制部分控制其充电完成后，再由控制部分控制触发 回路接通高压放电开关，使储存在脉冲电容器组内的充电电荷通过放电回路以 脉冲电流的形式快速地向螺线管工作线圈输入，该脉冲电流就在螺线管工作线 圈内部及其周围产生脉冲磁场。因此可通过调节通过线圈中的电流来达到调节 西北工业大学硕士学位论文黄小星 其中的脉冲磁场强度的目的。本设备是在输入电压端，通过调节变压器来间接 调节脉冲电流的。 3 1 1 脉冲电流的形成 如果给电容器充电至某个电压u o ，那么在电容器( 组) 的两极板之间就积 累了大量的电荷，从而建立了电场。则电场的能量w 可表示为 w = l c u g( 3 一1 ) 当接通高压开关时，脉冲电容器组就快速地向负载释放其内部所储存的电 荷，这时可在放电回路中