（材料加工工程专业论文）脉冲电流对纯铝和灰铸铁凝固过程的影响.pdf

上海大学硕士学位论文 脉冲电流对纯铝和灰铸铁凝固过程的影响 摘要 本文研制了川于实验的大能量脉冲电源装置。为该装置选择了台邂的充电方 式、辕冲电容器帮引燃管。自制了连接负载的铜排传输线以及电流铡瀑线罔罗果 夫斯基线嗣。测量了脉冲电源装置的峰值电胍、电流波形和脉冲频率。并且比较 了不同电容鬣和不同传输线对放电电流参数和波形的影响。利川该装援研究了脉 冲电流埘t 业纯铝斧h 灰铸铁h t l 5 0 凝固组织鲍影响。 实验结果表明，在纯铅凝同过程中施加脉冲电流能够改蒋纯铝的凝间组织， 增趣等辘爨区，城小撞凌螽嚣。当浇注澄震为7 5 0 4 c 、楚露惫浚漳毽2 l e 4 a 辩 作用效果十分显著。电流峰值不变时，增加脉冲电流的脉宽也有利于凝同组织的 绸佬。骤冲逛流孕帮处理热袄了缝镪络滚静凝潮速度，娃理试样的凝潲时阔比不 处觏试样的凝同时间缩短了约5 0 s 。 实验缔祭表明，在灰铸铁h t l 5 0 凝固过程中施加脉冲电流能谚细化石墨片， 减小共晶团的尺寸，峰值电流越大，作用效累越明显。当峰值电流不变时，脉宽 的增加同稃能起到细化凝同组织的效果。 根据实验结果，对脉冲电流影响盎属凝圃组织的枫理进行y 拐步的搽讨。分 析认为脉冲电流提商了金属熔液的形核率，方面脉冲电流减d , t 形核热力学势 垒，增加了棚同温度下的晶联数，另一一方蘑辣渖鬯凌俸嚣l 爨产生的电磁力增热了 原予的扩散自由能，阻碍了原子的扩散。两者的综合作用效果，促进了盒属熔液 的形棱，增如了熔波巾斡晶羧。脉冲瞧滚遂过使金属璐渡发生摄动，在金藩络液 中产牛剪切力，给熔液带来更多的晶核从而细化凝i 矾组织。 关键谣：躲挚窀浚、凝霾、缎纯晶粒、纯铝、灰薅铁 二海大学硕十学位论文 i n f l u e n c eo fp u l s ec u r r e n to ns o l i d i f i c a t i o np r o c e s s o fp u r ea l u m i n u ma n d g r e y c a s ti r o n a b s t r a c t t h e h i g h - e n e r g yp u l s ee l e c t r i c a ls o u r c ew a sd e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e di nt h i sp a p e r t h e e l e c t r i c i z i n gw a y , t h ep u l s ec a p a c i t o ra n dt h ei g n i t r o nw e r es e l e c t e dp r o p e r l yf o r t h ee q u i p m e n t t h ec o n d u c t i n gw i r ef o rl i n k i n gl o a da n dt h er o g o w s k ic o i l sw e r e m a d eb ys e l f t h ed i s c h a r g i n gv o l t a g ep e a kv a l u e , t h ep u l s ee u f l e n lw a v ea n d p u l s e f r e q u e n c y w e r em e a s u r e d a n dt h ec u r r e n t p a r a m e t e r s a n dw a v e so fd i f f e r e n t c a p a c i t a n c ea n dd i f f e r e n tc o n d u c t i n gw i r ew e r ec o m p a r e d t h ei n f l u e n c eo fp u l s e e l e c t r i c a lc u r r e n to ni n d u s t r yp u r ea l u m i n u ma n d g r e yc a s ti r o nh t i s 0w e r es t u d i e d b yu s i n g t h e e q u i p m e n t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es o l i d i f i c a t i o ns l n a e t u r eo f p u r ea l u m i n u m w a g i m p r o v e d t r e a t e dw i t hp u l s ec u r r e n ti ns o l i d i f i c a t i o np r o c e s s ，t h ee q u i a x i a lc r y s t a la r e aw a s i n c r e a s e da n dt h ec o t u m n e rc r y s t a la r e aw a sd e c r e a s e d 。w h e np o u r t e m p e r a t u r ew a s 7 5 0 | 。ca n dp u l s ec u r r e n tp e a kv a l u ew a s2 1 0 4a t h ee f f e c tw a sv e r yr e m a r k a b l e w h e nt h e c u r r e n t 辨a i c v a l u ew a s u n c h a n g e d ，t h ei n c r e m e n t a lp u l s ew i d t hw a sg o o d t o r e f i n es o l i d i f i c a t i o n s l r u c t u r e u s i n gp u l s e c u r r e n ti n o c u l a t i o n a c c e l e r a t e dt h e s o l i d i f i c a t i o nr a t e t h es o l i d i f i c a t i o nt i m eo f s p e c i m e nw i t hc u r r e n tw a sn e a r l y5 0 s s h o r t e rt h a nt h es p e c i m e nw i t h o u tc u r r e n t t h er e s u l 括s h o w e dt h a ta p p l y i n gp u l s ec u r r e n ti ns o l i d i f i c a t i o np r o c e s so f g r e yc a s t i r o nh t l 5 0r e d u c e dt h ed i m e n s i o no fe u t e c f i ec o l o n ya n df m e g r a p h i t ef l a k e t h e h i 曲e rt h ec u r r e n tp e a kv a l u ew a s ，t h em o r er e m a r k a b l et h ee f f e c tw a s w h e nt h e c u r r e n tp e a l cv a l u ew a s u n c h a n g e d ，t h ei n c r e m e n t a lp u l s ew i d t hi sa l s og o o d t or e f i n e t h es o l i d i f i c a t i o ns l 】 u c t u r e d e p e n d i n g o nt h ee x p e r i m e n t r e s u l t s ，t h ee f f e c tm e c h a n i s m so f p u l s ec h , - r e n to nm e t a l s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ew e r e a n a l y z e d t h en u c l e a t i o n r a t eo fm e t a lm e l tw a s i l 上海大学硕士学位论文 i n c r e a s e dw i t hp u l s ec u r r e n t o nt h eo n eh a n d ，i m p o s i n gp u l s ec u r r e n tr e d u c e dt h e t h e r m o d y n a m i c sb a r r i e rp o t e n t i a lo fn u c l e a t i o n ；i n c r e a s e dt h ee m b r y oq u a n t i t y 艇 s a m et e m p e r a t u r e o nt h eo t h e rh a n d ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c ew h i c hw a sg e n e r a t e d b yp u l s ec u r r e n ti n c r e a s e d t h ed i f f u s ef r e ee n e r g yo f a t o m ；o b s t r u c t e dt h ed i f f u s i o no f a t o m t h es y n t h e t i c a le f f e c to fb o t hp r o m o t e st h en u c l e a t i o no fm e t a lm e l ta n d i n c r e a s et h ec r y s t a ln u c l e u so fm e l t 。p u l s ec u r r e n to s c i l l a t e dt h em e t a lm e l ta n dt h e s h e a rf o r c ew a s g e n e r a t e di nm e t a lm e l t ，t h u sm o r ec r y s t a ln u c l e u sw a sb r o u g h ta n d t h es o l i d i f i c a r l o us m l c t u r ew a sr e f i n e d k e y w o r d s ：p u l s ec u r r e n t , s o l m i f l c a f l o n ，f i n i n gg r a i n ，p u r ea l u m i n u m ，g r e y c a s ti r o n h i 独创性说明 本人郑遁声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工住及取褥研究成果。尽我所知，除了文中特剐加以标注和致谢的地 方辨，论文中不邀食萁穗大已经发表或攘写黟耢究或巢，也不包含为 获德上海大学或其他教旁摊梅鲤学位或证书掰使用避舱专季料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 磅并寝示了谢意。 魏孽黼趣_ 坐 关于论文使用授权的说明 本大完全了解上海大举有关傈蟹、使魇学经论文戆鬣是，瑟：学 校有权保留送交论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导 誉签名： 霪z 垄露髅；兰型垒：塾竺 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 享孝耨季仪是人类避纯静标志，掰且是社会凌代纯酌物霞纂磴稆先导h l 。在传 统的材料科学与工襁学中，主要研究材料的功能性与经济性的平衡，力求材料县 有商的功麓或性能，低的经济成本，邵高的性能价格院。在跨入2 l 世纪的今灭， 人们普遍认识到，资源短缺、环境污染已成为制约人类社会发展的重要因素。瓤 的环装价值观要求材料科技工作者应该考虑在能够满足j h 户对材料性能要求的 同时，在设计、制备、使j l 、废弃和阐收材料制品的憋个材料循环过穰t h 尽可 能减轻地球的环境负荷。也就是说，将材料弓环境的协调性作为表征材料优劣的 重臻评价摆标，改变片面追求孝毒料鱼鸯毫性能或褪性能为唯+ 摆标翡壤肉。在疆 究开发新材料时不仪要受经济规律的制约，而且还受生态环境的制约。新的评价 理论要求辛葶趱瓣功自性、环凌性露经济性躲平臻( 掘强1 1 簇示) ，力求耪辫鬟 有商的功能溅性能、低的环境负荷和低的经济成本，也就是说材料的现代评价理 论不经要求耱料其鸯建绞豹蠖麓徐楱跑，蠡显要求榜辩其毒菇豹毪篷环境受藏院 【2 】 功能性 环境性 经济性 图1 一i 材料三角 l 薯框架 桎这种可持续发展概念的影响下，外加物理场处瑚技术作为神毅溅的材料 铆备绿色技术将受到材料科技t 作者驻多的重视。其，f 的重要分支电流凝同技术 引起诲多专才糙科技工 乍者的兴趣。 ，l ：海大学硕士学位论文 1 1 电流凝固技术简介 电流凝同技术媳在金属熔体凝删过程巾娥在金属熔体凝吲前，通过纣其施加 选定鳃电溅寒控铡衾震凝爨缀织褰瞧爱豹方法p 】。作为争 t 鬻瓣绿色技术，它在 提商牛产效率和优化产品效果的同时，减少了对产晶本身和环境的污染，使资源 黎麓滠静翻掰率褥劐了疆裔。 传统的金属材料经历了长期的发展，在强化理论、评估q 褒征、庞川弓再生 等方面己形成了较完整的理论弓圣季= 系。金蒋佟统的细晶强化手段主要有：孕育和 变质处理，机械搅拌和机械振动，电磁搅拌，低温浇淀和快速凝同等乃法。传 统的细晶强纯手段不同的楚，电流凝鲻技术怒通过金耩本身弓电流之间的相互作 用米达到细鼎强化效果的。锻明显，相对于前者，电流凝嘲技= ：= 乏对材料本身和环 境酌污染裂小，对设备特别媲电源设备的要求却要高的多。因此，直以来电流 凝嘲技术没有褥到太大的发展，一方蠢人们更愿意接受一艺麓晕的凝隧细鑫技 术，另一方面如何获得高密度的电流也成为制约该技术发展的原冈。 随着环僚意识魄爨蕊深入人心，鸯毒料科技王馋毳舞始扶生态环境懿恁疫耋精 考瞧现有材料的发展道路，将环境意识引人材料科学t 亿在现有理论勺体系的揍 磷上稳瘟邈对横趱懿强毒艺、谬徐与嚣生等方瑟均毒某些耨嚣憨考。久销赣待羞濒 的凝同细晶技术的诞带。同时，由于物理、材料和电子等领域科学技术的飞速技 震，馕缛太蕊率电流设簧弱孛产= 窝铡造残为可缝。溺薹毫，扶上 釜纪9 0 年代开始 包括电流凝同技术在内的物理场处理技术又受到材料科技工作者的高度重视，许 多嵇耩辩技工 筝者都纷纷投入该领域遴行礤究。圈 一2 所示为金属熔俸通电酌 极 豳l 2 袅属髂髂嚣耱逶电方式承建蠲 2 上海大学硕士学位论文 两种方式。 1 2 电流凝固技术研究概况 电流凝嘲技术，国外起步较早，但近年来国内学者的研究异军突起，特别是 在电流凝嘲细晶技术以及对钢铁材料铃高温台金的研究方蕊，已走在了世界的前 列。从f 1 前的文献来看，国内外学者对电流凝周技术的效果和机理做了大量的研 究。从采川的电流形式来鑫蠢直流电漉，交浚电流以及脉l l 彀浚等。实骏r l t 膊川 的材料包括低熔点锡锚合金、较高熔点的铝锕合金和高熔点的钢铁材料。 1 2 1 非脉冲电流对金属凝固组织的影响 由于离子迁移瞧的不同，在外加电场的作j i j 下，电介质溶液的溶斌分布和浓 度会发生变他，这被称作“电迁移”( e l e c t m m i g r a t i o n ) 效应。1 8 6 t 年，g e r a r d i n 首先发现了液态金鞴的电迁移效应。上世纪6 0 年代，v e r h o e v e n 等i 州对这一现 象逑行了深入研究。他螺在辍一s n 念金中邋入电流褰度为2 0 0 0 a c m 2 瓣幢定嚷 流，发现电阻热可以改变溶质有效分配系数。p f a u n 和w a g n e l 6 埂出了场凝结概 念( f i e l df r e e z i n g ) ，利用滚艨离子迁移性的麓异，邋涟旌趣蜜度为1 0 3 触m 2 以 上的直流电流，从而改变共晶合金凝闽界面前沿溶质的分布，并分析认为在电场 斡俸援下滚矮分配蓉数舂较大兹交能莲霜。 1 9 7 4 年，v a s h c h e n k o t 7 垮人首次发现了在低密度电流作川下的液态金属电迁 移效应。 巍稻在铸铁o 1 3 4 c ，1 + 9 - - 2 8 s i ) 凝辩过程中暹入密度为4 5 m a c m 2 的赢流电流，结果发现石墨片的形状发生变化，尺寸减小，举体i ，珠光 俸翕蓬增麴锾素俸禽蕴减少，并盈菲金属夹杂物数鬟谗减少了。 1 9 8 5 年，印度学者m i s r a t 卧”l 在低熔点过共晶p b 1 5 s b 。7 s n 和弧共晶 p b 一1 0 s b - 3 s n 三元合金的凝阖过程申施加电流密度3 0 - - 4 0 m a c m 2 、电乐约3 0 v 的或流电同样得到了均匀细小的凝同组织。他逐发现把直流电换成交流电也可得 到同样的缔槊。采翊电流密度5 0 m a c m 2 、电压2 0 v 的电流处理镍镁耐磨铸铁， 发现电流改变铸铁次结晶缎织，谯原来的铁索体+ 石墨的缎织t | i 出现了球党 体，并使石摄尺寸平均减小2 0 - - - 4 0 。圈l 一3 所示为m i s r a 的实验缔果。 国内学蠢顾撮大【i l 】磅究了电流伶煺下a 1 3 3 c u 积a i - 1 2 7 s i 疆秘共嚣仓 上海大学硕士学位论文 金的单向凝阎行为，发现电流使a i c u 共晶台金牛长界面易寸二璺胞状生长，使胞 姣荚鑫圈数鬃缮翔，尺寸缀毒。毫滚强燕改变a 1 一s i 共翕生长澎态，健之戬疆共 ( 1 ) 未经电流处理( 2 ) 经过电溉处理 粼1 3 电淡处理兹蠢p b - s b s n 台金凝潮照缎 晶方式牛长，使共晶硅片间距明显减小。李辉等人【1 2 】将a 1 1 0 s i 共晶台金在 电浚密度为e 。3 5 1 4 0 a e m 2 t 暹电处理5 0 m i n ，缝果使x f 共鑫铝硅台金莲冷瘦捆 大，初牛舢a l 由树枝状变成颗粒状。 ba 毯ehko i l l 在铸铁凝嚣麓闽逶毫安验衰旗，电流经石墨足寸平均藏 小2 0 - 4 0 ，片状石器呈卷曲状，电场可使铸铁的抗撒强度提商3 0 左右。热分 辑袭瞩，亳漉灌蕊镑铁结晶邋冷痊，躐夺结鑫疆度透闷，荠髓躐弱有害杂矮静影 响。 艋躲窿1 4 - 1 5 等人缎现直流电流密淡为5 0 4 0 0 m a ，c m 2 时，耀耐热台金的组织 发生如下变化：( 1 ) 得到细化；( 2 ) y 相的形貌发牛改变；( 3 ) 偏析和气孔率 得到抑制。 1 2 。2 脉冲电流对金属凝固缀织的影响 1 2 2 。1 慧摔滚滚鼹锈镫合金豹佟螽 脉冲电流( 简称电脉冲) 对合金凝固组织影响的研究丰要集巾在锡铅等低熔 点合金上。 m n a k a d a 和m c ，f l e m i r t g s 等人【1 6 l 首先使用电脉冲研究s n - 1 5 p b 台金的凝 闽遗程，发现在凝固的起始阶段施加电脉冲可使凝同缎织， ，的初生相宙树枝状变 为球状。此外他们还发现初氅榴的形貌不仪与电脉冲的初始峰值电胝有关，还 合垒液 ，的| 击i 相分数及冷却速度有关。实验袭明，短的电脉冲触发时间，大的电 容器组起始电压和慢的冷却条 牛有利于细化缀织。 ，t 海大学硕士学位论文 j e b a m a k 和h c o n r a d 等 1 6 j 对s n - 4 0 p b 和s n 3 7 p b 二种合金的实验表明， 毫熬跨馒这蕊静会金缝共鑫躅簇太大减小。魏鬃电浚密度为1 0 0 0 1 5 0 0 a c m 2 ， 脉h - 电流频率为1 5 5 h z ，共晶团簇可减小个数量级。此外富p b 树枝晶的黻 覆增翻1 0 - 一2 0 。 蠹们i j 塞遥实验涯赣隧着电滚密痊臻麴，缝繇过冷菠蹭秘。 l ij i a n m i n 等对p b 6 0 s n 台众的研究表明，大电容、低电压电路所产t p 斡黥津电流可镬穰警穗球纯、共晶函灞电稷方商释长，瓶，j 、毫容、高电瓶电黯掰 产嫩的脉冲电流可减小共晶体的片问距，并使得共晶体的层片均沿电极方向牛 长。鲡圈l 一4 所示。 图l 一4 共鼹晶粒在柬缚力作用f 被控长示意幽 鄢红春和周本濂等人【1 8 魄崩脉冲宽度为毫秒量级的脉冲电流处理s n 1 0 p b 豫熬晶台金。结果袋明：s n - l o p b 台金在由大容量( 1 2 0 0uf ，1 5 0 0 v ) 电容器 救魄提供的脉冲电流作用下凝越，耀大的塞s a 辩援凝视晶绥化残遥球炊结携。 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成核理论 帮菇粒尺寸微了深入磅究，袭明当磁女l 辣泞恕漉密瘦达1 0 0 0 0 a c m 2 羹级对，焱 理论上可以获得大块纳米晶。对p b 一4 0 s n 台盎的理论计算结果与实验值摹本 致。 1 2 2 ，2 脉冲电流对铝铜合金的作用 我国率先开最了豫跨电流对较嵩髂点魏裙、锅台盒及锯铰材料凝斟过程影嗣 的研究丁作。 譬蓊涛【j9 。蚓等藏j 再强躲冲电流细纯凝固组织。当金满熔体冷至液褶线对，翔 试样施加不间强度的脉冲电流，放电电压为o 7 k v ，电容器电容量为0 - 4 0 0 uf ， 上海大学硕士学位论文 放电时问约3 0 s 次，直至试样冷至阎相线以下完全凝斟成锭。结果表明，强脉 冲魄流可显罄细化箕凝固组织，脉冲瞧滚躲强度愈强，缨化效暴愈曼溪。 班春燕等2 1 _ 2 2 】采用相同的试验方法对l y l 2 铝台鑫进行处理，发现施加脉冲 电浚使l y l 2 锾台金滚矮元豢戆宏弱分鸯趋二= = 均匀，c 毪元素数受绱枣厅减弱，m g ，i 素的偏析大大改善。 王建* ；等驻3 1 对a l - 5 0 c u 台金避彳亍窀躲狰是髯菇，铸键瓣凝崮缎织褥翻了 改饕，柱状晶区缩小、等轴晶区扩大，晶粒得到很大程度的细化。他们发现，缀 融静孕育建疆矗静a 1 - 5 0 c u 台金滚，具有趣好鞠撬孕育衰邋能力。 高明等人 2 42 5 1 在砂型铸造z a 2 7 台金的凝j 嘲过程 - 施加强脉冲电流，发现 能掷翩台金，和橱按黼的长大，使晶糖细化，掇高了合禽静抗拽强度和撼伸率；间 时缎观脉冲电流可以提高铸件的致密性，大大减少铸件t i t 的缁松积酸松，处理屐 铸件密度增加2 5 ，电流对铸件中缩孔的分布也有影响。 曹丽云 ”_ 2 7 垮龟液态条传下对z l l 0 8 合念进行电脉冲变质处理，缡果裘睨， z l l 0 8 合金凝同组织呈现磷变质的特征，热处理后力学性能明驻提高，并表现j = _ 良好的抗衰遮性。 何树先【2 8 1 等人研究了高密度脉冲电流对过共晶a 1 s i 台金凝同组织的影响， 实验绩果裘鼹毫密发辣冲瞧浚镬凝潮缝织t p 裙每s i 转变为块捩，共鑫s i 呈短抒 装，在试样的局部存在初生8 i 晶粒破碎现象，分析认为是由于高密度脉冲电流 在熔彝内部产生不乎鸳夔电磁力焉导黢不平德势凌；| 怒静； 1 2 2 3 脉冲电流对钢铁材料的作用 王建p t 2 9 1 等采j j 频率为1 h z 的电酶冲在逡铸翁鑫器内对q 2 3 5 铡1 2 0 小穷坯 进行电脉冲孕育处理，连续处理5 分钟，连铸坯凝同缎织细化了3 倍以上，并使 桎虢晶麦糙秭长豁形态变为纲瓶短静短杼袄缀织。 庸勇3 0 啦】等人研究了电脉冲对商熔点金属铡铁凝嘲组织的作j 如实验所采 硐的电脉冲有关参数没有给出，他们认为电脉冲的主要作j j 是减小柱状晶的尺寸 和改普球光体的形貌，其f 1 日1 人注意的是有关珠光体形貌的改蛰，阑为通常铡， t 的珠光体是由同一删相变而形成的，邋表明电脉冲不仪对液态金属在凝渊过程的 相转变有作川，商且对凝削以后斟态众属的榭转变也蠢一定的馋j | l ，僻仍需要主燕 一一步的实验验证。另外，他们对t 8 钢、6 0 钢、q 2 3 5 钢、7 0 b 钢等进行了电脉冲 上海大学硕十学位论文 处谭研究，凝蒯组织均得到了明显的改善。 王静秘等大发褒在泰热经楚擎弯裁豹清嚣“f ，铸铁镶渡经过躲冲电流处 理厥，在凝脚过程一 ，发牛了石墨化转变，在相同参数脉冲电流作j j 下，处理时间 长鸯零j 予石鼙纯转变戆遗行，霰铁液中静硅商禚予缭短筵嚣时润。 范金粹等人3 4 q 5 】首次采川奥氏体不锈俐作为研究对象，试验。f 采川大能凝 赫；| | 电流赔疆，碧巢发现骧冲电流挠够绍仡奥氏体不锈钢1 c r l s n i g t i 醣凝闽组 织，经电脉冲处理臌，其奥氏体次枝晶长度明显缩短，二次枝晶问距减小。试 验缔采如崮1 5 掰示。 ( a ) 未处理 ( b ) u 一5 2 1 v( c ) u 一2 6 4 7 v 图1 5 脉冲电流处理后舆& 体不锈锕凝| 直i 缉纵 1 2 3 电流对金髓凝固组织的作曩梳理 在研究电流对金属凝避l 级织的作捌时，大多采蹦的是壹流魄流。到强兹为止， 电流对金属凝i 古i 组织的作j 机理还了解的不怒很清晰，人们通过大量的实验，缩 台已有的电磁学和金羼凝周璐论，提测出电浚避过凝嘲系统对会产生始下t 系剃 上海大学硕十学位论文 作川：电迁移效应、j o u l e r 效应、p e l t i e r 效成、场过冷效应、起伏效成等。脉冲 毫滚与连续懿 基壤魄淡不冠，除了其鸯连续魄滚瑟鸯瓣作蠲虢终，还鬟旁由于壤 流的突变导投的磁致收缩效应和冲击波作用。 l 。2 3 。i 电逶移效应 电迁移效麻是液体金属l ，各种离子在电场作用下发生定向迁移的现象。由卡 备辩金藩离予所带魄量驹不阉，筑焉在定向迁移过程t 扣酌运动速度也不丽，由诧 引起液态金属的流动速度为： v f = a i 2 ( 1 1 ) 式t p 。a = 可p l f l 萌g ( 2 万r ) ； j 电流密度； 戊液态金属的密度； g 羹力女l 遗疫； 粘度系数； 热膨胀系数； 五z 传热系数； 震熔体半径： 砰溶质分配系数。 滚态金满翡流动疆终等致凝固过程中溶矮分配系数k 静交亿，蠹醣交诧将对 凝吲组织产申很大影响，树枝晶转变为等轴晶组织，枝晶形貌也由树枝状转变为 球形或近球形。 电迁移效应可使会属凝阍时界面有效分配系数发嫩变化。 l 。2 。3 。2j o u l e r 效应 焦耳热效廊是人们熟知的。电流通过金属熔体时，将产生焦耳热效麻，从藤 将导致熔体漱度的变化，r 为： a t = j 2 p 。t p c ( 1 - - 2 ) 上海大学硕士学位论文 式巾 成枣季秘戆毫瓣率； p 一熔体的密度； o 比热容； 一通电时阀。 对于凝同体系来说，焦耳热相当于内热源，它将使凝吲系统整体冷速降低， 过冷度减小。对于嘲渡共存躲状态穗富，由于渡馋金攥的龟导率疆嗣毒季痰黪狻体 金褊小数倍，所以嘲柏是电流优先选择的通邋，因而吲柏内产生的热效应大于批 铝瓣液耪，这可健遴簿羝雾螽娃憝滏凌攥度，甚至导致蠢耱蘩络，掰以最终静缭 晶组织比较均匀。 常国袋【3 6 。8 3 逶遵对定| 鸯凝阂生长中宅瀛律臻静理论帮实验探讨，认为电流 通过提高【古j 液界面能、增大嗣液两相电流产生的焦耳热的差值、提高温度梯度的 途径侄进了阑液嚣磷形态稳定往，并盈电流密度越大，这种效果越明程。 1 2 3 3p e l t i e r 效应 电导率不丽的两种材料接触对，接融面的接触电位差产生了附加的热量，称 为p e l t i e r 热，用幺表示，其大小号通过界蕊的电漉寝度j 成正比，冀比例系数 称为p e l t i e r 系数，如下式： 幺= 恐j ( 1 - - 3 ) 电场作用下，在固波界面上产生的p e l t i e r 热使界面上的凸出部分熔化，从砸使 界稀趋于光滑圆整。所以电场作用促进球形域准球形晶粒的形成，抑制树枝品夺 长。 1 2 3 4 起伏效应 熔点以上的金_ 】i 嚣液鸵原予结构为近程有序、远磴光序，总存在1 些聚突数疆 不等的原子阂簇。这姥原子团簇是通过静电效应聚合的，它们随着金属液的能量 起伏时聚时数。电场停鼹予熔点黠近瓣凝豳系统黠，金属渡t 弼茬程毫净簸予爱簇 的缩构、尺寸和数量都会随着电场强度、方向而发生变化，这就加剧了结构起伏、 能羹起扶及滋度起伏，兢- 纛鼹遴玛震澎援。遮季 褒象猿为起考餮效应。 豢荣i i l 等 3 9 - 4 0 从经典的金属液结构理论出发，讨论了电流对金属液态结构的 9 上海大学硕十学位论文 影响。他们认为当众属液温度降至策值时( 如熔点附近) ，施加。定强度的电脉 冲变际是g l 入了电场，这静瞧场会对因静电期吸鲤鼹予团簇熬聚数产，囊影响。电 脉冲能使金属液”具有一定尺寸的原子团簇数同大大增加。这些原子团簇聚合的 几率要大大蠢于塞教鳐凡率，困蠢秀逡一步簿瀣瓣，藏会菇这蹩蒙子霞簇为；曩磐， 形成形核胚，最后成为形核点。金属液内形核点越多，则等轴晶出现的几率也会 越多，麸舔撵到了棱状鑫靛发震。 1 2 3 5 磁致收缩效殿 毒辣冲电流通道导电溶体对，会产生一个蕊力挤撩表面，扶丽减小表面的非 均质形核，这个收缩应力的值为【4 1 】： 口= 虹2 p 2 一口2 ) 4 】 ( 1 - - 4 ) 其，p 盯收缩应力， y 渡检避， 磁导率， ，样潞半径， n 导电熔体 p 任意点到样鼎中心的距离。 ：有快速变化的强脉冲电流通道鑫属熔体，在熔体内产掌快速变化的强脉冲 磁场。强脉冲电流和强脉冲磁场之闻的相互作j l 会在垒属熔体走产生缀强的收缨 力，使熔体反复地被压缩，弗使熔体在垂直于电流方向作往复运动。这点已缀 被试验中观察至4 的建击波动灏t 正踢。这秘运动除了癸凝褥棱鑫羚，弱瓣逐健熔髂 迅速失去过热、提离形核率。 1 2 3 7 场避冷效应 根据经媳的热力学理论，当有外场作用时，体系的热力学势垒和温度等困索 疼发生交镬：，扶纛影穗摇交避程熬形孩率。按照金属静凝疆瑶谂，潞铬的澎竣妊 须谯一定的过冷度下进行，形核势垒与过冷度满足定的关系。在有脉冲电流时 a t = ( g + 姆2 亭乃瓦置，当电流密度满足，= 一a g ( k 4 v ) 一1 一2 ( 毒 溺量装置：主舞是透行脉冲电流帮脉冲电蕊翁溯量。 图2 一l 脉冲电源装置的组成方概图 上海大学硕士学位论文 ( 5 ) 控制网路：它的作j j 燧控制各部分按顺序动作。其本身的启动可以是由人 虽枣拴或终热痿号事控瑟秘方式。 2 。2 脉；审电源的设计 2 。2 。1 直流充电装置设计 直流充电装置的等效电路如图2 2 赝示。等效电源e 可以看佟楚经过藏撮 变琢器、硅堆整流过后的直流电源，：! j 合j ：电源开关后，充电回路就开始通过限 滚电阻对毫察器充嗽。在宠嚷电路t 一番望灸迄瓣闼缝缒点好，镬魄容器杰较 短的时f 司内达到实验所要求的电压。因此要对不同的充电方式进行取含。充电方 圈2 - - 2 充电回路的婷效电路 式蹩多稀多祥豁，般螽j 褥较多懿趋游联充魂帮瞧流充电两耱方式。黝2 3 帮 图2 4 所示的是并联充电的两种充电方式：半波充电和全波充电。在充电时， 充魄电流往往受蚕整流元件允许电流的限制，丽j | = 为了使总的充电电流增加，可 以采川并联多只整流元件的方法，从而缩短充电时问。在变城器的端菇联多只 整流元俘的方法为半波并联充电法。在变压器高压绕组的两端均接上熬流冗件， 使电流在正半波和负半波时间里郝有魄流给电容器充电的方法为全波并联兔电。 使用并联充电的方法能缩短充电时问，但是缺点就是需要的整流冗件多，特别怒 全波并联充电法需要在变题器巾撞头接地，使缳构复杂，体移 壤大。男秘宠曦 法怒恒流充电法，般的电容器充电时，充电电流是随着时间的增加而足指数衰 减的，恒滚充电就是在充电避程t | 遴过谖节些元搏健电滤媲终绦持+ 定，觚 而_ 允电时间大为减少。恒流充电的方法有很多，可以根据需要嗣具体情况进行遄 上海大学硕士学位论文 择，本试骏采用的怒三相谐振恒流充电法。 图2 - 3 全波并联充电示意嘲 d i r 2 2 2 放电回路设计 阔2 4 半波并联充电示意翻 放电回路是整个漩置的核心。它的作用是农很短的时问之内，把电容器所储 藏豹大量麓麓释敖爨受载上去。下嚣讨专套菜璧重要元件的选择和设计。 2 2 2 1 脉冲电容器的选择 tl 上海大学硕+ 学位论文 脉冲电容器是脉冲电流放电回路的丰体部分，脉冲电容嚣在形式、结构、性 熊上是缀不露的。选择电容器主要是扶怼设备提出戆凄求寒考虑，本试验装美在 选择电容器上丰要悬从以下两个方面考虑的： ( 1 ) 龟容嚣电篷 可以_ i 壹过将几个电容器串联起米的力法增加总的电压，但是这样做会使得结 褐鞫运章亍都汔较复杂，虽会增热回路中静电懑，影响毫流懿输窭。稀嚣辕狰毫容 器的电压从几千伏到几卜万伏均有，本试验装置所设计的最高脉冲电胝为八干 茯，因诧没有必要袋糟电容器的串联法，选撵额定电瑷台逶醣电容器虢行了。本 试验装置选j j 的电容器额定电压为- 万伏。 ( 2 ) 电容黧： t 作电压确定以后，需要的电容量大小就取决于设计要袋的储能躲大小了。 根据电容器储能公式： 形=zcu2(2-1) z 要建立一个丁作电压8 0 0 0 v 、6 0 千焦耳的实验装置，需要的总的电容量是 c ：罂：2 x 6 0 x l o 型。1 8 7 5l a f “舻 可以选奔j 多台电容势联来达捌总的要求。本试验装置选糟了l o 台电容为2 0 0uf 的电容器。 2 2 2 2 隔离闻凉韵选择 隔离间隙在脉冲电源装淤中起着燕要的 乍用。它的作j l 棚尚于一个开关，玛 它断开时，可以把电流装置。”的充电阐路和放电回路分离开，以保证兔电回路熊 顺刺的完成对电容器组的充嗽：当它阙台时，可以姆宠好电鲍滚容器缝强放电翊 路接通，保诞电容嚣组- p 存储好的电能在很短的时间内作 j 住负载上。隔离间隙 除了要满足般开关的性戆羚，还要满足一些特殊的豢求。莠先，它鲍开关蘸翊 要求非常短，可以达到千分之1 微秒。其次，它还必须能够连续的重复l t 作。弼 终，竣是要缝承受较态瓣电压亵较大戆逛流。瓣离阕辣静静娄氆菇球瓣藤、场嚼 变问隙、薄膜间隙、引燃管等。本试验装置采用的是g e 公司生产的引燃管，冀 特点跫襄魂魄援蒸，廷要数“p 铰懿憨冷融发惫压，重笈频率较高，舔援蜀戳达列 数十千伏，已经达到了本试验装置的要求。 上海大学硕士学位论文 2 2 2 3 传输线的设计 蕊输线在敖电强疆中，建连接彀容器缝酾羹鼗之闽憝连线，! 宅骞器疆鞠隔 离间隙确定后，整个放电回路的电感就取决于传输线的电感了。根据脉冲峰值电 流公式： t 。= 滞 ( 2 2 ) 最大电流峰值是和电感的开方成反比的。因_ 【 ：，放电网路r 【伎蝓线的电感对最大 电流蜂值的大小就超了决定性的作朋。传输线+ 般有三类，类是板型传输线， 一炎是同轴电缆型传输线，类是曹通的平行导线。扳型传竣线般j 铝叛程铜 板作导体，巾问绝缘起来。间轴电缆的产品j b 常多，有许多种规格和性能。选择 装爨蛇售输线，首先要 鞍嚣嵇传羧线静电感大小。 a 同轴型传输线的电感 同辘型僮竣线中心遥道鬯凌，霉经塞努麓导体罄去，妇栗不考虑传稔线瑟懿 的效应，并且认为脉冲电流的频率很高，电流集l 1 l 在导线表面。于是 2 ：r r - 照= ，( 2 3 ) 磁邋密度 辟= 风以= 善蔓 ( 2 4 ) 其中莓磁场强疫，硒是磁譬率。零绽长度豹磁通 萨= 茸办= 丝2 a 避产b r = 等磅 e ：5 ) 于越肇位长度的电感 ；亚：丛如生 ( 2 6 ) 2 口兄 b 平行导线的电感 瓤撮实心平雩亍导线戆电感在d r 帮惑频率下，可以涮下式诗算 l ：丝觑旦( 2 - - 7 ) gr 姨上式可激辫密，乎行铸输线的电感麓比较大的。 c 板型传输线的电感 上海大学硕士学位论文 板型传输线电燎的计算比较复杂，在高频率、扁导体、j 黩距离的情形，可以 剜一f 式诗算 五：笠f 6 + 2s h ，x - s i n x l ( 2 - - 8 ) o辨e 瓣一c o s 苫l 其巾m = 2 w ，x ；m b 选择传输线另外要考虑的卟方面就是电动力的问题，导线之问通电时，会 产生相互住心力，因此需要采用台遮鲍加澍方式来防止佳埝线崔力鲍 譬题下损 蛛。 8 。平行导线之闽的力 平行导线之问的电感 三：监血皇 万r 由于导线移动d d ，电感变化 堕：三煎 d d 帮d 导线囊乡 秘斥懿力 ，= 萼卷= j i 2 壕历1 s ， b 同轴型传输线 它静邀薅公式怒 。笠血墨 弘蕊 由于电动力的作用，外层导体将向外扩张，嚏母体将向内压缩。内导体韪实心的， 认为不变 丝：土 墩2 石怒 于是导体掰受的力 ，：兰要：兰鲁(2-10)22 。 娥2 口托 c 板型传输线 9 上海大举硕士学位论文 它的电感公式是 五= 钟讲2 。出s h x - s i n 。x 割 在旗葫力佟弼下，两板旃努歼，增大距离或，于是 一d l ：笠 姒c f ；兰鱼；兰堕( 2 一1 1 ) 。 2d e 2o 比较j ：藤三稚馋簸线懿受力壤拨，当遴避雏电浚鞠霹晴，它鼹鹱受残的力瓣 比娃： 土，l 三 石d 2 x 见。c 磐采距离榉，目毒蠹结构受力最小，叛鍪蠡孽爨丈。 综合考虑各种因素，自制了并紧的铜排作为传输线。其特点是电感要比普通 静并捺导线小，丽受力情况阮扳登馋输线要好。镉稚传输线的割面国如醋2 5 所示。传输线由两条铜排组成，铜排上缠有耐高压的聚酰、啦氨纸。铜排之问堋树 l 誓膝东板黼歼，树脂胶木板既能起到绝缘作用，又能作为电缆的骨架使之不变影。 在锕排的外面用树脂胶木板夹紧，然后崩螺捡固定好。传输线实物圈如幽2 6 所示。 2 2 2 3 接地謦安全设计 由于实验装置魑高电难，大电流的发生装鼹，因此试验装糍的安全防护问题 非常重要。酋兜是接建问题，实验室为本装登专门配套了一条接她线，接地线瓣 电戳为0 3 欧姆。这样，放电时接地线的瞬时电位不会升得过商。试验敞置的放 电强鼹j 鞋锅条孥陵建线连接交褒接遗。瑟楚葵注意懿是教电鬯路毖矮蠡残密潞， 并鼠有且只有点按地。图2 - 7 为放电回路的接地图，图 1 放电回路在电容和 受载连接豹漩b 点与接逮线e 点连矮，在放电对，b 点静电位不会邋离，嗣魏 可以保护测避设备，并且由于没有形成回路，也减小了对测量信号的干扰。如果 除了b 点潋耱，遂怒敞电霞潞； ，秘箕它点搂镳，如圈t ；虚线掰示，a 帮d 连接。 则放电时会在a b c d 阐路t l 感廊比较高的电压，使得b 点电位在放电时瞬时升高。 上海大学硕士学位论文 陵 i l1 蕊魏：麓 高鹫鞋囊萋：1 甍菘。器i 鏊聂蓥羲 并_ 塑 ，鼗 、 4 = _ 兮吃 4 3 ： j 露 i i , i | i il ! i i - i 霉i ：+ 。霉：蔓j 鬻簧：囊：嚣囊ij 瀵i 蓊 、，一弘叠、， 一 ) ， ：lx ： fi 上海大学硕士学位论文 g 圈2 - - 7 放电同路接地示意图 庭瓣安全搽馋巍爨，确髻i 实验薅静安全揉 睾渊。 2 2 3 触发回路设计 在毫篷实验中，爨于安全考虑，按卷毫路一般鄂楚低压电路。爨戴，需要使 用触发回路来触发商压放电阐路放电。本试验装置使蜊引燃管作为放电回路的开 关，其特点楚寤动电援低，嚣她魅笈圈路不爨要产生太毫静辣渖奄援裁缝艇笈放 电网路。当需要放电时，由控制回路发出信母，接触器c j 闭合，电容器c 开始 敦魄，经鑫踩滓交嚣器变压爱产生大约2 0 0 v 豹躲狰旗淹，躲冲电羝邋过与弓 燃 管市h 并联的触发极将引燃管扁动，接通放电咧路。图2 8 所示的是试验装置触 发潮路的豕意銎。 圈2 8 触发同路示意图 上海大学硕十学位论文 2 2 4 控制回路设计 控制酗路采弼w l 电褥，比较放大器将采样信号与标准电源相比较，输出 个电压信号给尊稳器，学稳器接到信号居改变信号输出，从磁控制充电电路和放 电电路。电路图如图2 - - 9 所示。 v c 。 v 图2 9 控制电路图 l 取撵壤瑶；2 凌鞍救大器；3 蕈稳嚣；4 敷大三援警；5 充电控毒l 辅 出 6 放电控制输出；7 标准电位输入 2 2 5 测量装置设计 辕冲毫流参数瓣测量主菇是棘渖电流和脉冲电琏的测量。高乐脉冲电流其有 两个特征，一是它魁变化很快的次暂变量；二是电流很大、电鹾很巅。由于这 两个特征，这两个鬟不能用酱通的电流和电疆表去测瞧。 2 2 。5 1 峰值魄压测爨 峰值电骶的测鬣相对来说比较简单，本文采用峰德电压袭法进行测量。峰德 电艇表法结构篱单，健媸方经，准确发也比较裹。峰馕电蹑袭法电路鹫翅鹜2 一 l o 所示。其利，h 了整流器单向导电的性能，这里整流器主要起了。个筘位作川， 镬嚷容器缝上静电藤操持在宠电电压熬骧毽，此跨，嚷容器缝再经过整滚器给蘩 号电容器充电，使其电压与电容器组电压相等，这样，与信号电容器并联的静电 迄逡表藏搔承鑫了嚷撩读数。 2 2 5 2 电流测量 a 。毫渡测蓥骚疆 上海大学硕士学位论文 由于装麓放电时的电流非常大，因此必颓先把大电流转换成较低的电推，然 后输入示波器当r l ，记录下来