（材料加工工程专业论文）大比重高熔点合金的电磁成形研究.pdf

摘要 电磁约束成形技术是最近发展的一项先进加工技术，它利用电磁感应热加 热熔化金属坯料，同时依靠电磁力约束金属熔体成特定的形状，实现金属熔体 的无模成形。电磁约束成形的整个加工过程均可在真空炉内进行，金属熔体在 电磁力约束下不与任何物体接触，不会受到外界的污染，冷却方式采用成形样 件与冷却金属直接接触的强冷却方式。所以利用金属熔体的电磁约束成形技 术，可以获得表面质量良好、成分均匀、没有污染、内部组织细密等优良性能 的样件。特别对于熔点高、难熔化、活泼性较强的合金具有更大的应用前景。 但金属的电磁约束成形在一个多物理场的综合作用下进行，成形稳定性很难控 制。本文利用课题组自行设计的设备，以不锈钢和镍基高温合金为实验材料对 大比重、高熔点合金圆形样件的变截面送料电磁约束成形技术进行系统的研 究：对大宽厚比( = 3 5 ) 板状样件的电磁约束成形工艺进行初步探讨。 磁场分布特性分析表明：金属坯料的加热密度以及电磁压力与磁场频率、 金属坯料的物性以及材料的尺寸和结构形状有关；感应器内轴向磁场分布与感 应器的内壁倾角、形状参数h d 、电流大小以及屏蔽罩的位置有关。依据上述 结论，结合课题组过去实践的经验，根据加工材料的物性、形状和尺寸设计了 成形感应器和预热感应器。 对感应器内温度场分布的影响因素研究表明，感应器的结构、感应器的电 流、屏蔽罩的位置、成形样件的抽拉速率以及双频电磁约束成形时预热感应器 的加热功率均对温度场的分布有影响。感应器的结构、屏蔽罩的位置、成形样 件的抽拉速率和预热感应器的加热能力不仅影响温度场的大小还影响温度场 峰值的位置，而感应器的电流仅影响温度场的大小。 对高熔点、大比重合金电磁约束成形过程分析表明，在电源频率选择、感 应器设计、屏蔽罩位置均合适的情况下，高熔点、大比重合金电磁约束成形时， 熔点温度以上，电流变化对静压力的影响远大于对电磁压力的影响，而电流是 通过熔体的温度来影响静压力的，因此熔体温度的控制成为成形稳定性的关 键，影响温度场稳定的因素也将影响熔体成形稳定性。在变截面送料电磁约束 成形中因速率不同而导致熔体的动量和动能变化，以及熔体内部存在熔体的重 新分配，这些都将产生熔体的扰动，使熔体稳定性变差。研究发现变截面送料 电磁约束成形中，随着成形样件与棒料的截面比、样件抽拉速率的增大，熔体 的扰动增大，成形稳定性会变差。综合成形的热稳定性和扰动的影响因素得出 变截面送料电磁约束成形时截面比和速率不能太大。 大宽厚比板状样件电磁约束成形时，感应器内顶角处磁场的交叉集结和熔 体棱角表面张力引起压力的增大，以及因长边距离较长，金属坯料常常不能完 全熔化或者熔体温度不均匀，容易导致成形失败。因此，大宽厚比板状样件电 磁约束成形的感应器在设计时长宽比应适当，金属坯料的放置应与感应器同 心，以确保大宽厚比板状样件电磁约束成形时金属坯料完全熔化、熔体温度均 匀和熔体所受力场平衡。 实验是在课题组自行设计的设备上进行的，利用变截面送料电磁约束成形 技术成功抽拉出了多个不同截面比和多个不同抽拉速率的圆形不锈钢样件；用 等截面送料电磁约束成形技术抽拉出了数个大宽厚比( = 3 5 ：1 ) 的板状不锈 钢样件。 关键词：电磁约束成形特种合金电磁场 感应器凝固 无模成形双频 a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cc o n f i n e m e n t s h a p i n gf o rm o l t e nm e t a l si s a na d v a n c e d p r o c e s sd e v e l o p e dr e c e n t l y i nw h i c ht h em e t a l i sm e l t e dt os o m es u p e r h e a t i n g d e g r e ew i t h o u tc r u c i b l eb y i n d u c t i o nh e a ta n dl i q u i dm e t a li sc o n f i n e da n ds h a p e d t od e s i r e df o r mb yt h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c ea tt h es a m et i m e t h ep a r t so b t a i n e d b yi t a r ei np e r f e c ts u r f a c e ，r e f i n i n gm i c r o s t r u c t u r ea n dn oo rl e s sc o n t a m i n a t i o n a n da r ew i t hb e t t e rm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s t h ep a p e r w i l ld or e s e a r c ho n e l e c t r o m a g n e t i cc o n f i n e m e n t & s h a p i n g f o rc i r c u l a ru n e q u a lc r o s ss e c t i o ns a m p l e a n dr e c t a n g u l a rc r o s ss e c t i o ns a m p l ew i t hl a r g er a t i o ( 3 5 ) o fl o n gs i d et os h o r t s i d e a n dt h em e t a li ss t u d i e dt h a th a sl a r g es p e c i f i cg r a v i t ya n dh i g hm e l t i n gp o i n t s u c ha ss t a i n l e s ss t e e la n ds u p e r a l l o y t h e s t u d y o fe l e c t r o m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i ci n d i c a t e st h a t i n t e n s i t y o f i n d u c t i o nh e a ta n de l e c t r o m a g n e t i cf o r c eo nt h em e t a la r ec o r r e l a t i v et of r e q u e n c y o fc u r r e n t ，p h y s i c a lp r o p e r t yo fs a m p l ep r o c e s s e da n df o r ma n ds i z eo fs a m p l e p r o c e s s e d ，a n dd i s t r i b u t i n go fa x i a lm a g n e t i cf i e l di nt h ei n d u c t o ri s i n t e r r e l a t e d w i t hi n d u c t o rs t r u c t u r e ，i n s i d ew a l lo b l i q u i t y , p a r a m e t e rh d ，c u r r e n td e n s i t y , l o c a t i o no fs c r e e ne t c a c c o r d i n gt ot h er e s u l ta b o v e ，s h a p i n gi n d u c t o ra n dh e a t i n g i n d u c t o ra r ed e s i g n e df o rs a m p l ep r o c e s s e d t h es t u d yo fd i s t r i b u t i n go fa x i a lt e m p e r a t u r ei nt h ei n d u c t o rs h o w st h a tt h e f a c t o ra f f e c t i n gt e m p e r a t u r ei n c l u d e si n d u c t o rs t r u c t u r e ，c u r r e n tt h r o u g hi n d u c t o g p o s i t i o no fs c r e e n ，s p e e do fs h a p i n gs a m p l ea n dh e a t i n gp o w e r o f h e a t i n gi n d u c t o r i nd u a lf r e q u e n c ys h a p i n g i nw h i c h ，i n d u c t o r s t r u c t u r e ，p o s i t i o no fs c r e e n ，s p e e do f s h a p i n gs a m p l ea n dh e a t i n gp o w e r o f h e a t i n gi n d u c t o ri nd u a lf r e q u e n c ys h a p i n g i n f l u e n c en o to n l ym a g n i t u d eo f t e m p e r a t u r eb u ta l s ot h ep o s i t i o no ft e m p e r a t u r e p e a l ( v a l u e ，a n dc u r r e n tt h r o u g h i n d u c t o ri n f l u e n c e so n l ym a g n i t u d e o f t e m p e r a t u r e r e s e a r c ho nc o u r s eo fe l e c t r o m a g n e t i cc o n f i n e m e n ta n ds h a p i n gf o rm e t a l w i t hh i g hm e l t i n gp o i n ta n dl a r g es p e c i f i cg r a v i t ys h o w st h a ta b o v em e l t i n gp o i n t t h ec h a n g eo fc u r r e n tt h r o u g hi n d u c t o ri n f l u e n c e sw e i g h to fm o l t e nm e t a lf a rm o r e 1 i i t h a n e l e c t r o m a g n e t i c f o r c e ，a n dw e i g h to fm o l t e n m e t a lc o r r e l a t e c l o s e l y t o t e m p e r a t u r e s ow h e nf r e q u e n c yo fp o w e r , s t r u c t u r eo fi n d u c t o ra n dp o s i t i o no f s c r e e na r ea l l a p p r o p r i a t e ，c o n t r o lo ra d j u s to ft e m p e r a t u r ei sk e yt os t a b i l i t yo f m o l t e nm e t a l ，t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt e m p e r a t u r ea l s ow o r ko ns t a b i l i t yo fm o l t e n m e t a l i nt h e u n e q u a l s e c t i o n e l e c t r o m a g n e t i cs h a p i n g ，i t w i l l b r i n g a b o u t d i s t u r b a n c et om o l t e nm e t a lt h a tc h a n g eo fm o m e n t u ma n dk i n e t i ce n e r g ya n d r e d i s t r i b u t i o no fm o l t e nm e t a ld u et od i f f e r e n c eo fv e l o c i t y , w h i c hw i l lw e a k e n s t a b i l i t y o fm o l t e nm e t a l t h er e s u l tw a so b t a i n e dt h a ta st h er a t i oo fs h a p i n g s a m p l es e c t i o na r e at of e e d i n gs a m p l es e c t i o na r e aa n ds p e e do fs h a p i n gs a m p l e i n c r e a s e ，d i s t u r b a n c es t r e n g t h e na n ds t a b i l i t yo f m o l t e nm e t a lw i l lb e c o m ew o r s ei n t h eu n e q u a ls e c t i o ne l e c t r o m a g n e t i cc o n f i n e m e n ta n d s h a p i n g i ti st a k e ni n t oa c c o u n tf a c t o r so f b o t ht h e r m a ls t a b i l i t ya n dd i s t u r b a n c ea tt h e s a l t l et i m et h a tr a t i os h o u l db el i t t l ea sp o s s i b l ea si tc a na n ds p e e ds h o u l db e m o d e r a t ei nt h eu n e q u a ls e c t i o ne l e c t r o m a g n e t i cs h a p i n g i nt h ee l e c t r o m a g n e t i cs h a p i n gf o rp l a t ew i m l a r g er a t i oo fl o n gs i d et os h o r t s i d e ，m a g n e t i cf i e l di n t e n s i t ys t r e n g t h e ni nt h ec o m e r o fi n d u c t o r , s u r f a c et e n s i o n b e c o m el a r g e ro nt h ec o m e ro f m o l t e nm e t a l ，s a m p l ec a n n o tm e l tc o m p l e t e l ya n d t e m p e r a t u r eo f m o l t e nm e t a li su n e v e nb e c a u s eo f l a r g e rl e n g t ho fl o n gs i d e s ot h e i n d u c t o rs h o u l db ec a r e f u l l yd e s i g n e da n dp o s i t i o no fs a m p l es h o u l db es u i t e di n o r d e rt h a te x p e r i m e n th a ss u c c e e d s o m ec y l i n d r i c a ls t a i n l e s ss t e e ls a m p l e sw e r ea c q u i r e di ns e v e r a ls p e e da n d v a r i o u sr a t i ob ym e a n so fu n e q u a ls e c t i o ne l e c t r o m a g n e t i cs h a p i n g ，a n ds o m e r e c t a n g u l a rs t a i n l e s ss t e e la n ds u p e r a l l o ys a m p l e s w i t hl a r g e rr a t i oo f l o n gs i d et o s h o r ts i d ew e r eg a i n e db ym e a n so f u s u a le l e c t r o m a g n e t i c s h a p i n g k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i c c o n f i n e m e n ta n d s h a p i n g ；s p e c i a la l l o y ； e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ；d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o n ；s h a p i n gw i t h o u tm o u l d ；d u a l f r e q u e n c y 第一章资料综述 引言 随着科学技术的飞速发展，各行各业对材料的性能提出了更高的要求，这 就促使人们对新材料的开发以及传统材料的新型工艺研究和发展。特别是材料 的高纯净熔炼、无污染制各的成形技术成为新型工艺研究发展的方向，金属熔 体的电磁约束成形技术就是此背景下提出的利用电磁场的感应热和电磁力，实 现材料的加热熔化、无模成形并控制凝固组织的新型技术【m j 。 电磁场作为自然界重要的物理场之一，有两种特殊的效应“热效应”和“力 效应”即感应热和电磁力。交变电磁场的感应加热是一种速度快、效率高、能 耗低、污染少的加热方式口j 。电磁压力应用于金属熔体的约束成形方面，不仅 可以避免金属熔体与结晶器或成形模壳的接触所造成的污染。并可消除熔体与 模壳或结晶器的机械摩擦与粘附作用引起产品表面及内部组织缺陷，而且还可 以消除熔体对结晶器或模壳的烧蚀和损坏。因此利用电磁场进行材料熔炼、提 纯和控制金属熔体凝固与成形对提高金属材料产品性能和成品率、降低能耗和 成本以及减少污染具有十分重要的意义。电磁场用于冶金工业、材料熔炼与提 纯以及金属熔体的成形工艺和组织控制成为当前重要的发展方向即l 。 1 1 材料电磁加工技术( m a t e r i a l s e l e c t r o m a g n e t i c p r o c e s s ) 材料电磁加工技术是利用交变电磁场与金属熔体内感应电流相互作用实 现金属无模熔炼和无模成形的技术，是当今冶金和材料科学等领域热门研究方 向。当感应器内通入交变电流时，其内部产生交变磁场，处在交变磁场中金属 块将会产生感应电流涡流，加热熔化固态金属。此外由于集肤效应，感应 电流主要集中在熔融金属表面，而且方向在每一瞬间都与感应器内电流方向相 反，这样在熔体的侧表面产生指向熔体内部的电磁压力p m ，通过控制感应器 内电流可以控制电磁压力的大小，当作用在金属熔体上的电磁压力p m 、熔体 的表面张力引起的压力p r 和静压力p 。达到动态平衡时( 即p m + p r = p 。) ，金属 熔体可以保持侧表面垂直并稳定成形【”。因此精心设计感应器的形状，合理控 制感应器中电流的大小，就可以通过金属熔体中感应涡流以及感应器内的交变 磁场相互作用产生的电磁力，使金属熔体在电磁场中成一定的形状，并在定 的冷却条件下凝固。利用该原理已经开发的技术主要有冷坩埚感应熔炼技术、 电磁悬浮技术、磁悬浮熔体处理技术和电磁铸造技术。 1 1 1 冷坩埚感应熔炼技术( c o l dc r u c i b l ei n d u c t i o n m e l t i n g p r o c e s s ) 早在7 0 年代就出现了利用水冷坩埚熔炼活性金属的凝壳熔炼技术，水冷 坩埚与金属熔体之f 副存在层由金属熔体重凝而形成的凝壳，相当于用所熔炼 金属制成坩埚内衬，坩埚内表面与金属熔体的成分相同，从而避免了陶瓷坩埚 对金属熔体产生污染。 水冷坩埚熔炼技术可采用不同的加热方式 9 - 1 0 , 如自耗电极电弧、非自耗 电极电弧、等离子弧以及感应加热等等。自耗电极电弧炉对电极的质量、耗材 的要求很高；电子束及等离子弧熔炼炉需要较大功率的电源，成本较高，此外 由于熔池较浅，只有增大熔池表面积才能增大熔池容量，相应地增加了合金元 素地烧损，不利于成分控制。由此产生了感应加热水冷坩埚熔炼技术( c o l d c r u c i b l ei n d u c t i o nm e l t i n gp r o c e s s ) 。 冷坩埚感应熔炼技术起源于感应渣熔炼技术【l l - 1 2 】( i n d u c t o s l a gm e l t i n g ) ， 主要用于钛废料熔炼回收。为了减少熔渣给凝固金属带来的污染，开发了无渣 分瓣水冷铜坩埚感应熔炼技术。起初，此技术被称为感应壳熔炼技术( i n d u c t i o n s k u l lm e l t i n g ) ，主要是因为熔炼过程的开始阶段炉底存在凝壳，后来进一步发 展为没有凝壳和熔渣的现代形式的冷坩埚感应熔炼技术( c o l dc r u c i b l e i n d u c t i o n m e l t i n g ) 。最初地实践表明：当采用导电坩埚熔炼金属时，由于集肤 效应，坩埚本身发热，产生的热量绝大部分被冷却水带走。美国b m i 研究所 将铜坩埚丌缝以切断感应电流回路，测量不同频率下坩埚磁场的衰减情况表 明，不开缝的坩埚内磁场衰减殆尽，开缝后磁场衰减很少，功率主要消耗在熔 炼金属上，从而大大提高了电效率 1 3 - 1 5 。 c o i l l e 图1 一l 感应加热水冷坩埚结构示意图 f i g 1 - 1t h e s c h e m e & c o l dc r u c i b l ei n d u c t i o n m e l t i n g 图1 1 为两种冷坩埚结构的示意图，冷坩埚由数个弧形块或管线组成， 各块间彼此绝缘不够成回路，每一块( 或管内) 都产生感应电流。由于在相邻 两管的邻近截面上，电流方向相反彼此之间建立的磁场方向相同，使管间的磁 场增强，因而冷坩埚每一缝隙都是强磁场处，并由于环状效应所致在坩埚内形 成强化磁场，促进金属的熔化并施加电磁搅拌，提高了熔体温度和成分的均匀 性。与此同时，坩埚内磁场与炉料中感生电流相互作用，产生电磁压力垂直指 向金属熔体使熔体推离坩埚壁。因此可知冷坩埚的电磁感应熔炼具有以下几个 方面的特点【i i - 1 2 】： 1 因为熔炼过程中熔体和坩埚处于无接触状态，坩埚和熔体不发生任何 反应，所以合金在无坩埚污染环境下对材料进行熔炼和处理： 2 熔体在感应加热过程中被电磁搅拌，提高了金属熔体温度和成分的均 匀性； 3 坩埚一直处于冷态，不和熔体接触，因此坩埚不受熔炼金属熔点和活 泼性的影响，坩埚寿命长。 在应用上，冷坩埚技术特别适合熔炼活泼金属、难熔金属、高纯金属以及 放射性材料等【1 2 】，在其它领域也有很好的应用。即使如此，冷坩埚技术仍然 存在着自身难以克服的缺点，如设备一次性投资大、电效率底、约束成形的形 状简单等等，在一定程度上限制了其大规模的工业应用。 1 1 2 电磁悬浮技术( e m l - - e l e c t r o m a g n e t i cl e v i t a t i o n ) 目前广泛采用的无污染熔炼技术除了冷坩埚技术外，还有彻底抛弃熔炼坩 埚的电磁悬浮熔炼或电磁区熔等方法，使负载在悬浮状态下被加热熔化，统称 为电磁悬浮熔炼技术( e l e c t r o m a g n e t i cl e v i t a t i o n ，简称e m l ) 。电磁悬浮技术主 要是利用通入线圈的交变电流以及金属熔体的感生电流在空间产生电磁力将 金属悬浮在空间，与周围无任何接触的条件下进行感应加热熔化、过热熔炼等， 采用此技术可以在地面模拟太空条件，进行各种微重力研究【1 6 】。电磁悬浮熔 炼技术的另一重要用途是净化液态金属以获得大的过冷度，凝固后制成微晶、 纳米晶、准晶或非晶态金属【l7 1 ，其原理如图1 2 所示。 电磁悬浮熔炼技术的研究起源于1 9 2 3 年m u c k t 惦】提出的固态或熔融态导体 的悬浮概念，但是直到 1 9 5 2 年o k r e s s 【1 9 】等人才 真正从理论和实践上开始 进行电磁悬浮熔炼技术的 研究。1 9 6 4 年r 0 n y 首次 比较全面地总结了e m l 技术的研究成果，给出了 详尽的理论分析和一整套 实用的数据图表f 2 0 。2 9 1 。 电磁悬浮熔炼技术综 合运用了电磁场对负载材 料的加热升温功能和悬浮 功能，即以电磁压力抵消 图1 2 电磁悬浮原理示意图 f i g l 一2p r i n c i p l eo f e m l m 柚t e a 负载所受重力，使负载在失重状态下被加热熔化，其基本原理可表述为： f l w = 一3 g r ) ( b v ) b 2p “， ( i 1 ) q l = 3 r j - i ( x ) ( b b ) 6u t ，2 ( 卜2 ) 其中，x = r 6 = r ( u6 f ) ”2( 卜3 ) 显而易见，电磁悬浮力的大小与电磁场的强度和梯度有关，而加热则主要 依赖于电磁场的强度。值得注意的是，( 1 1 ) 式所表示的电磁悬浮力具有旋 转力的形式。更进一步的研究可以看到，随着频率，的增大，集肤深度6 减小， 悬浮力函数g ( x ) 很快地趋近于1 后基本保持稳定，加热函数h ( x ) 则不断增 大。这也就是说，提高电磁场的频率对加热熔化非常有有利，但当频率到一定 程度后，频率对悬浮力的影响并不明显。因此，稳定的悬浮要求适当的频率和 较高的电磁场强度和梯度，快速加热熔化则希望采用较高的频率和适度的电磁 场强度，这就是双频电磁悬浮熔炼的基本原理【1 “。 e m l 技术的主要优点是无坩埚污染、熔体均匀、加热熔化速度快以及表 面气液相平衡速度快等。然而与冷坩埚熔炼技术相比，e m l 技术存在熔炼量 小( 以克计算) 、电效率低、技术复杂、操作困难以及温度控制难等致命缺点。 因此，e m l 技术的发展远远落后于冷坩埚技术的发展，长时间停留在试验室 应用和理论研究阶段，直到8 0 年代末期h e r l a c h 和l o h o f e r 等人开展了双频电 磁悬浮熔炼技术的研究。才为电磁悬浮技术注入了新的活力【2 0 2 9 】。 双频和多频电磁悬浮技术是电磁悬浮技术的一次重大改进，也是该技术发 展的延续。据文献 2 4 】报道，利用双频电磁悬浮技术已能稳定悬浮重量达l k g 的铝块，克服了单频电磁悬浮技术悬浮重量有限( 仅几十克) 、温度控制较难 等一系列缺点，但同时也使电磁悬浮技术更加复杂，带来了其它一些问题。目 前双多频电磁悬浮技术中加热功率和悬浮力的计算以及悬浮稳定性方面的研 究已取得了很大进展 3 0 - 3 1 j 。 1 1 3 磁悬浮熔体处理技术( m s m p - - m a g n e t i cs u s p e n s i o nm e l t i n g p r o c e s s ) 磁悬浮熔体处理技术( m a g n e t i cs u s p e n s i o nm e l t i n gp r o c e s s ，简称m s m p ) 是将固态金属无污染熔化后浇注成零件的技术，它是美国a l a b a m a 大学n a g y e l k a d d a h 等人在多年开展电磁感应熔炼技术的基础上，借鉴冷坩埚熔炼技术 而发明的技术。图1 3 是该技术的实验装置简图和电磁成形原理示意图p 2 。“j 。 从两图中可看出，该技术主要是利用移动感应器中通入的交变电流将冷却支架 上的固态金属无接触从上至下加热熔化，并利用感应器内磁场和液态金属感应 出的涡流之间相互作用产生的电磁压力，使熔化的液态金属在无接触条件下保 持一定的形状，同时由于电磁搅拌力的作用使金属熔体中的气体和夹杂物上 浮，净化熔体，当固态金属全部熔化后，底漏( 冷却支架为带孔底圆盘) 浇注 到下部真空室的成形模壳中，达到成形零件的目的。 ( a ) 装置示意图 ( b ) 原理示意图 9 - t n a “t o r c b j lj 成。畦 图1 3 磁悬浮熔体处理技术的原理及实验装置示意图 f i g 1 - 3t h ep r i n c i p l eo f m s m p a n da p p a r a t u su s e df o rm s m p m s m p 技术由于采用直接感应加热，热效率能达到5 0 左右，远远高于 冷坩埚技术( 5 一1 0 ) 口”。从原理上看，磁悬浮熔体处理技术的关键就是 如何控制电磁力稳定地将熔化的金属约束住，并实现温度的控制，使液态金属 有一定的过热度。在磁悬浮熔体处理技术中，固态金属的半悬浮熔化可减轻污 染，凝固成形在真空中进行，可用于高熔点、大比重、活泼合金，成形时采用 模壳可实现复杂构件的精确成形。但m s m p 技术的最终成形仍然在铸型 p 形 成，没有完全消除模壳材料对熔体的污染。 函丽殴 1 1 4 电磁连续铸造技术( e m c - - e l e c t r o m a g n e t i c c o n t i n u o u s c a s t i n g ) 从冷坩埚感应熔炼技术、电磁悬浮技术到磁悬浮熔体处理技术等利用电磁 约束成形原理的技术都因种种原因而未能形成工业化大规模生产。而目前采用 中频电磁场的电磁连续铸造技术经过多年努力开发研究，已实现了工业化大规 模生产。电磁连续铸造( e l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n g e m c ) 是利用 电磁约束成形原理实现的无模连续铸造技术。 铝的连续铸造是e m c 的基础，1 9 3 5 年a l c o a 公司及v l w 公司的直接水玲 铸造是现代铝连铸的开端。1 9 6 0 年前苏联的g e t s e l e v 等首次提出了e m c 的原 理d 5 4 6 1 ，并于1 9 6 6 年在实验室条件下制得了第一个铸锭。其后，又于1 9 6 9 年工业上铸造了直径2 0 0 5 0 0 m m 的圆锭，并将这一工艺向捷克等东欧各国 推广。1 9 7 3 年美国的k a i s e r 公司及瑞士的a l u s u i s s e 公司分别引进e m c 专利， 并先后实现多锭连铸。a l c o a ，r e y n o l d s ，p e c h n i e y 等公司的大型铝厂也先后从 a l u s u i s s e 公司引进e m c 技术，1 9 8 5 年的铸锭产量已达4 5 万吨。在此基础上， 各国又发展了水平e m c 、提升式e m c 及其他金属的e m c 工艺，如美国的 o l i n 公司于1 9 7 8 年引进e m c 专利后在1 9 8 2 年制出了商用尺寸的e m c 铜锭。 钢的电磁铸造也有人进行研究，日本的浅井兹生、丸山净雄等用自制试验装置 拉出直径约3 0 m m 的钢锭。目前，西方工业发达国家利用e m c 技术生产的铝 合金铸锭产量逐年上升，仅瑞士a l u s u i s s e 公司的e m c 铸锭产量到1 9 9 0 年已 达到1 2 0 万吨以上，且已每年8 一l o 万吨的速度递增。在我国，7 0 年代中期， 东北轻合金加工厂开始电磁铸造技术的研究，并于1 9 8 2 年生产出铝合金圆锭， 但因种种原因，这一技术未能在生产中推广。“七五”期间，中国有色金属工 业总公司主持将铝合金方锭的电磁铸造方法列入国家攻关计划，组织大连理工 大学，西南铝加工厂、北方工业大学、东北轻合金加工厂共同进行开发研究， 并取得一系列成果。1 9 8 8 年，大连理工大学电磁铸造实验室铸造出铝合金小 型扁锭【j “。 电磁铸造装置示意图和原理示意图如图l 一4 和图l 一5 所示，当感应器线 圈中通过交变电流，在线圈内产生交变电磁场，交变磁场与金属熔体内的感生 蔺橱咆遨曲 i b 1 图l 4 电磁铸造基本构型图图1 - - 5 电磁铸造原理图 f i g 1 - 4 a p p a r a t u su s e d f o re m c f 遮1 5p r i r , c , i p l eo f e m c 电流作用形成指向熔体内部的电磁压力，当电磁压力与熔体的静压力平衡后， 金属熔体获得稳定的截面形状。在感应器下方喷水冷却，液态金属与感应器无 任何接触，金属熔体保持自由表面状态下凝固，底模向下移动，从上方不断注 入铝液保持液柱高度不变，就可连续铸造出表面光滑的铸锭。在电磁连续铸 造中由于金属熔体是在自由表面状态下凝固，而且冷却介质直接作用于金属表 面产生强烈的冷却效果，加上金属液的冲刷作用使铸锭组织发生很大变化：柱 状晶被消除，获得全部的等轴晶；减少了夹杂、缩孔等铸造缺陷；铸锭表面质 量显著提高。因此电磁连续铸造铸锭表现出优异的后续加工性能和良好的使用 性能。为此电磁连续铸造研究已经成为当今国内外焦点。 1 。2 定向凝固技术 定向凝固技术又称单向凝固技术可用于模拟合金的凝固过程，研究凝固界 面形态、凝固组织、制备定向自生复合材料和单晶，同时也是制备高质量航空 发动机定向和单晶叶片及某些功能材料十分有效的技术手段 3 7 4 9 】。 定向凝固技术的重要工艺参数：凝固过程中固液界面前沿液相中的温度梯 度g l 和固液界面向前推进速度，即晶体生长速率r 。g j r 值是控制晶体长大 形态的重要判据。在提高g l 的条件下增加r ，才能获得所要求的晶体形态、 细化组织、改善质量，并且提高定向凝固铸件的生产率。定向凝固技术和装置 不断改进，其中技术关键之是致力于提高固液界面前沿的温度梯度g l 3 9 】。 定向凝固技术的发展大致经历了四个阶段 3 】，即功率降低法( p d ) 、高速凝固 法( h r s ) 、液态金属冷却法( l m c ) 和区域熔化一液态金属冷却法( z m l m c ) 。 1 2 1 功率降低法l e d 】 图l 一6 为定向凝固功率降低装置示 意图“。把一个开底的模壳放在水冷底 盘上，石墨感应发热器放在分上下两部分 的感应圈内，加热时上下两部分感应圈全 通电，在模壳内建立起所要求的温度场， 然后注入过热的合金溶液。此时下部感应 圈停电，通过调节输入上部感应圈的功 率，使之产生一个轴向温度梯度。在功率 降低法中，热量主要通过已凝固部分及冷 却底盘由冷却水带走。这种工艺得到的温 度梯度最小，在1 0 。c e r a 左右。 1 2 2 高速凝固法( h r s ) 图1 - - 6 p d 法示意图 f i g 1 _ 6a p p a r a t u su s e df o rp d 1 一保温层2 一感应豳3 一玻璃布 4 一保温层5 石墨套6 一模壳7 一结晶器 快速凝固法是在最初功率降低法的基础上参考了b i t d g m a n - - s t o c k b a r g e r 晶体生长技术发展而来的。其装置和功率降低法相似，只不过多了一个拉锭机 构，使模壳可按一定速度向下移动。装置示意图如图1 7 示【4 “，整个模壳置 于加热炉内，模壳底部放在冷却器上，凝固时铸型加热器始终加热而铸件按一 定速度向下移动。另外，在热区底部使用辐射挡板和水冷套，可提高挡板附近 的温度梯度g l 、g s 。快速凝固法与最初的功率降低法( p d ) 相比g i 提高了 4 - - 5 倍，大大缩小了凝固前沿两相区。温度梯度的增加，使冷却速率增大从 而细化了组织提高了机械性能。它的主要缺点仍然是温度梯度不够大；而且在 凝固阶段初期热量散失以通过水冷底座的对流传热为主，随着铸型的下降凝固 界面与水冷底座距离增大，对流传热方式 减小，转为凝固层的辐射散热为主。因此 快速凝固法凝固过程中温度场不稳定，并 且凝固层辐射散热起主导作用时，温度梯 度有所下降，凝固速率随之下降n 2 1 。 1 2 3 液态金属冷却法( l m c ) 在提高排热能力和增大固液界面液 相温度梯度方面，功率降低法和高速凝固 法都受到一定条件的限制。在快速凝固的 基础上，t s c h i n k e l 等人发明了液态金属冷 却法以液态金属代替水，作为模壳的冷却 介质，模壳直接浸入液态金属冷却剂中， 散热能力大大增强，获得很高的g l ，几乎 不依赖浸入速度h 2 3 1 。其工作原理如图1 8 所示，冷却剂的温度，模壳传热性、 厚度和形状，挡板位置，熔体温度等因素 都会影响温度梯度。 液态金属冷却剂的选择条件是：低的 蒸汽压，可在真空中使用；熔点低，热容 量大，热导率高；不溶解于合金中；价格 便宜。液态金属冷却法工艺过程和高速凝 固法相似，当金属溶液浇注入模壳后，按 预定速度将模壳逐渐浸入液态金属中，使 图l 一7 h r s 法示意图 f i g ，1 0a p p a r a r u su s e df o rh r s 1 一保温层2 - 感应器3 一玻璃布 4 一保温层5 一石墨层6 一模壳 7 一挡板8 一冷却圈9 一结晶器 图1 8 l m c 法示意图 f i g1 8a p p a r a t u su s e df o rl m c 1 一真空室2 一熔炼坩埚3 一烧杯4 一 炉子的热区5 一挡板6 一模壳7 一锡 液面保持在一定的温度范围内，使传热不 浴加热器8 - 冷热罩9 - 锡浴搅拌器 因凝固的进行而变小，也不受模壳形状的影响。液态金属可以是静止的或流动 的。 液态金属冷却法与前两种凝固方法相比，局部凝固时间、糊状区宽度都是 最小的。而且液态金属冷却法的g l ( 高达1 0 0 3 0 0 。c c m ) 和r 最大，从而使 冷却速率最大。因此液念金属冷却定向凝固法的显微组织比较理科4 4 1 。 1 2 4 区域熔化一液态金属冷却法( z m l m c ) 加热和冷却是定向凝固过程的两个基本环节，并对定向凝固过程的温度梯 度产生决定性的影响。定向凝固技术从h r s 法发展到l m c 法使温度梯度大 幅度提高，是因为改进了冷却方式，同时也发挥了冷却环节的最大潜力。要进 一步提高定向凝固的温度梯度，改变加热方式是一条有效的途径。 分析一下l m c 法定向凝固过程 不难发现，以下两个问题限制了温度 梯度的提高，一是凝固界面并不处于 最佳位置，当抽拉速率较低时，界面 相对于挡板上移，使凝固界面远离挡 板；二是未凝固液相中的最高温度面 远离凝固界面，界面前沿温度分布平 缓。如果改变加热方式，采用在距冷 却金属液面极近的特定位置强制加 热，将凝固界面位置下压，同时使液 相中最高温度区尽量靠近凝固界面， 可进一步提高温度梯度。如果采用区 图1 - 9z m l m c 法装置示意图 f i g 1 - 9a p p a r a t u su s e df o rz m l m c 域熔化法加热结合液态金属冷却，就形成了区域熔化液态金属冷却( z m l m c ) 定向凝固法【4 5 6 1 。 z m l m c 法示意图如图1 9 示，其冷却部分与l m c 法相同【4 7 1 ，加热部 分可以是电子束或高频感应加热，两部分相对固定，且距离很小，使凝固界面 不能上移，集中对凝固界面前沿液相加热，充分发挥过热度对温度梯度的贡献。 温度梯度高达1 0 0 0 0 c c m 。 目前用于生产的定向凝固方法，其温度梯度一般不超1 5 0 k c m ，获得的高 温合余定向凝固组织一次枝晶间距大于2 0 0 u m ，侧向分枝仍很发达。利用 z m l m c 法可在较快的生长速率下进行定向凝固，侧向分枝生长受到抑制，获 得一次枝晶间距超细化的定向凝固组织，即超细柱晶组织。由于这种特殊的超 细微观组织特征，定向结晶合金和单晶合金的性能都有明显提高，以k i o 钻 基合金为例，持久寿命提高了3 倍 4 5 - 4 6 1 。对定向结晶d z 2 2 镍基合金也能明显 提高持久强度性能，随着冷却速度的增加，持久强度提高4 8 1 。 1 3 电磁约束成形技术 虽然人们对金属熔体电磁处理技术给予了极大的关注，然而上述技术偏重 于熔体处理和电磁成形的一个方面，而且所成的形状相对简单。西北工业大学 结合电磁悬浮与电磁铸造等无坩埚熔炼和无模成形各自的优点，并结合区域熔 化一液态金属冷却定向技术的优点，首次提出利用交变电磁场在金属材料中产 生的感应热和电磁力使金属加热熔化并同时约束成特定的形状，而且利用低熔 点合金作冷却介质与样件表面直 接接触，显著提高材料的冷却能 力，构成无坩埚熔炼、无接触成形 以及强加热和强冷却的新型材料 制备技术一一电磁约束成形技术 f e l e c t r o m a g n e t i cc o n f i n i n g & s h a