（钢铁冶金专业论文）脉冲电流下al45％cu合金定向凝固.pdf

上海大学磺学键论文 摘要 本文应用自行研制的脉冲电源及e m v 定向凝固实验装置，以a l ，4 5 c u ( 质 量分数，下同) 合金为研究对象，对脉冲电流作用下台金的定向凝固过程与组织 进行了实验研究。 实骏孛，霾定器液界蚕祷浍潺度梯度，透过改黛晶俸生长速度得到由平褥 晶一赡状晶一躯状提技晶一桂拣楗技晶黪露滚赛甏生长形态，荠选择了数个 具蠢代表性鲍参数通入不弱脉 孛毫滚，以考察触；孛瞧滚瓣不秘晶体生长形态 的影响规律。 实验研究了a i 4 5 c u 合众定向凝阎过摆中蹰渡界面形态隧脉冲电滤 的变化规律、界面形态转变的条件；脉冲电流对界瓶形态稳定性的影响；脉 冲电流对定向凝固温度场和溶质场的影响。结果表明，脉冲电流改变围液界 面处溶质分布，显著降低溶质富集程度；脉冲电流提高了界硒前沿的溆度梯 度；脉冲电流提高了固液界面的稳定性，由平面晶一胞状晶一胞状树枝晶一 柱状树梭晶的固液乔面生长形态转交的临界生长速度随电流峰值的增大而 遮遴增夭；脉冲电流改变晶体童长形态，减小一次枝晶间距，抑制二次枝晶 生长。东本实验条侔下，电流频率豹f # 焉耽电流绛值韵作用明显。 在藏实验戆基磷上，获躲狰逢漉在金属络体串弓l 起豹j o u l e 热效巍帮躲 滓擞压力豹角度对熬 申毫滚影螓合金定离凝固强滚乔蟊处溶质分布、滋度梯 度及界露稳寇性等的戡理进行7 翅步探讨。 关键潺：脉冲电流定淘凝露a i - c u 会会 上辩大学鹾士学能论文 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，b yu s eo ft w op u l s e dc u r r e l l te q u i p m e n t sa n dad i r e c t i o n a l s o l i d i f i c a t i o nd e v i c e , t h ee f f e c to fp u l s ee l e c t r i cd i s c h a r g i n g ( p e d ) o na i 4 5 c u a l l o yd u r i n gd 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 sw a ss t u d i e d i nt h ee x p e r i m e n t s ，t h e l i q u i d s o l i d i n t e r f a c em o r p h o l o g yf r o mp l a n a r i n t e r f a c e _ c e l l u l a ri n t e r f a c e _ c e l l u l a rd e n d r i t i ci n t e r f a c e _ c o l u m n a r d e n d r i t i ci n t e r f a c ew a sg o tb yc h a n g i n gc r y s t a lg r o w t hv e l o c i t yu n d e rt h es a m e t e m p e r a t u r eg r a d i e n t i nf r o n to ft h el i q u i d s o l i di n t e r f a c e a n ds e v e r a l r e p r e s e n t a t i v ep a r a m e t e r sw e r es e l e c t e dt os t u d yt h ee f f e c to ft h ep e do n d i f f e r e n t i n t e r f a c eg r o w t hm o r p h o l o g yo f c r y s t a l 。 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e d 谯我t h ep e dh a dag r e a ti n f l u e n c eo nt h e s o l u t ed i s t r i b u t i o na tt h ei n t e r f a c e 。t h es o l u t e r i c hl e v e lw a sr e d u c e d r e m a r k a b l y ， t h et e m p e r a t u r eg r a d i e n ti nf r o n to ft h el i q u i d s o l i di n t e r f a c ew a si n c r e a s e db y t h ep e d t h ep e dn o t i c e a b l yi n c r e a s e dt h ei n t e r f a c es t a b i l i t yi nw h i c ht h e c r i t i c a lg r o w t hv e l o c i t yo ft h et r a n s i t i o nf r o mp l a n a ri n t e r f a c e - c e l l u l a r i n t e r f a c e _ c e l l u l a rd e n d r i t i ci n t e r f a c e - c o l u m n a rd e n d r i t i ci n t e r f a c e w h i c h w a si n c r e a s e dr a p i d l yw i t hi n c r e a s i n gc u r r e n tp e a k t h ep e dv a r i e d t h e i n t e r f a c eg r o w t hm o r p h o l o g yo fc r y s t a l m o r e o v e r , t h es p a c eo f p r i m a r yd e n d r i t i c c r y s t a ld e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fc u r r e n tp e a k , a n dt h es e c o n dd e n d r i t i cc r y s t a l w a sr e s t r a i n e d 。u n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h ee x p e r i m e n t s ，t h ee f f e c to fc u r r e n t f r e q u e n c yw a sm o r eo b v i o u st h a nt h a to f c u r r e n tp e a k 。 a c c o r d i n gt ot h e s ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ee f f e c tm e c h a n i s mo ft h ep e do n s o l u t ed i s t r i b u t i o n , t e m p e r a t u r eg r a d i e n ta tt h el i q u i d - s o l i di n t e r f a c ea n di n t e r f a c e s t a b i l i t yw a sd i s c u s s e db a s i n go nt h ej o u l ee f f e c ta n dp u l s em a g n e t i cp r e s s u r e w h i c hw e r ec a u s e db yt h ep e d k e y w o r d s ：p u l s e de l e c t r i cd i s c h a r g i n g ，d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o n ，a l c ua l l o y i l 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导好揍导下进霉亍的谬 究工侔。 除了文中特剐麓以标注帮致谢的遣方外，论文中不包含萁 电人已发表 或摸写过的研究成采。参与阍一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：叠垒垒e l 期：翘墨：p 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守。屹瓶定) 签名：瑟丝聊签名乏蝗瓤趔生! ：归 上海大学礤学谯论文 1 i 研究背景和意义 第一章绪论 楗糕戆发展是人类镌震生活秘人炎文隳进步豹鏊磁，耪瓣静发震惫摇薪整 材料舞发和传统材料掰型工艺的研究耀令秀霭。转绕誊| 辫由予应是范围鞍秀广 泛，成本相对低廉，占据着材料使用的统派地彼。因此，通过工艺的改进来改 善材料使用性能，对材料的发展具有非常藁要的意义。 科学技术的发展对材料的使用性能和环境友好性要求越来越高，从而使得 提高材料性能的新工艺应运而生。金属凝固组织细化或改良有利于提高金属材 料的综合性能，因此金属组织细化技术的研究和探讨成为金属材料研究中十分 重要的领域之一。常用的凝固组织细化方法包括孕育、交质处理和微合衾化或 采溺物瑗搅捧等技术。最近又出现了许多新兴的凝固组织控制工艺，其中外加 耪瑾场( 毫流、磁场、超声波) 经理辩金糯凝濒组织的改菩非常显著，汪经取 褥了突皴性静进震”- 9 。露辩，环境意识鼢撵高嘭唤绿色材籽及绿色材料翻备技 术豹诞叟，瑟物理绥处淫能减少瓣环缓窝枣季攀 本身熬污染，实现清涪纯生产和 材料如工、使用的砸持续发展。随羞物理场技术熬磷究与深入，弓| 发7 系列 常规材料凝固过程中不可能嫩现的薮现象，这对于发展掰型材越和羧进传统材 料都有重要的科学和工程意义。 外加物理场处理技术中，人们研究最多的是电流凝固技术。其中，脉冲电 流处理可以通过功率较低的设备实施间歇式大能量输出，具有更加广阔的应用 前景和十分重骚的学术价值【。物理、电予等领域在二十世纪的快速发展，使 得大功率电流的产艇已经变成现实，而且可以得到的电流强度和功率越来越高， 也为电流细化研究提供了设备保障。 1 2 电渡凝固技术概念 电流凝固技术是指在金属熔体凝固过程中或凝固前，通过脉冲电流、直流 电或交流电来影响材料的凝阐过程，改善凝固后组织，从而提高其性能的方法。 图1 1 为常觅的两种金属熔体通电技术示意图嘲。 主辩大学鹾士学经论文 体 图l - i 金属懋体遴瞧熬嚣种方式 稆辩于传统静金耩凝固组织细纯技术，由予其越理只是金属和电流之间的 终髑，奄流凝固技术奁提高生产效率和改善产菇往煞的同时，也减少了对产品 本身纛环缓熬污染，镬资源稷艉源熬剃焉率得到了极大静提商，置操作篱便。 尽赞在秘料剑各和趣工过程巾使用毫渡凝嗣装术取德了一定熬进震，毽英擐本 机制尚未十分清楚，需要傲惩加深入鲍职突和探索。 1 3 电流通过金属熔体时引起的一些效应 人钓暹_ 遘大量豹实验，结合穗有瓣耄磁学黧金满凝甏瑾论，推测盘电流遴 过凝固系统时会产生如下一系列效应 1 1 , 1 2 ： 1 3 1 电迁移效应 电i 乏移效应是滚钵金属中各种离子在毫场律焉下发生定向迁移的现象。由 手各转金属褰予袋骺电覆静不霹，麸藤在寇每迁移过程孛翡运动速度氇不溺， 峦诧毫滚弓l 莛液态金属豹流动速凌致为： 巧= a d 2( 1 - 1 ) 式中，为电流密度，口。p l f l g ( 2 _ r _ ) 4 ，成为液态衾属魄密度，为热膨胀系数， 1 4 4 l ，五 一 g 为重力加速度，r 为熔体半径，麒为粘魔系数，屯为传热系数。 液态金属的流动最终导致液态金属凝固过程中溶质分西己系数的变化，从而 2 上辩大学疆士学位论文 影响凝阐过程的质量传输。 1 3 。2j o u l e 热效应 电流通过金属熔体时，将产生j o u l e 热效应，从而将导致熔体溺度的变化。 结合传熟学原理，脉冲电流造成的j o u l e 熟效应引起的温升乃为： a 乃= ( 1 - 2 ) 式巾，或必电阻率，# 先比热，f 必逶电慰闻。 在金属凝露避程孛，它将镬凝固体系瓣整体冷帮速浚降低，道冷瘦减小。 由于电浚优搬选择电阻小的困耦逐遵，霹期内产生懿热效疲垮大予翱邻熬渡援， 完全可熊导致固棚重熔，促进熔体的同时凝露、均匀长大，从嚣最终弱维最缓 织比较细小均匀。 1 3 3p e l t i e r 热效应 由予露攘和滚摆之阅躲毫导搴不阕，凌电浚俦用下，接触蘧黪接皴电位产 生了附加的热量，称为p e l t i e r 热，其大小姆通过界嚣的电滚密度了成正比，荚 比例系数称为p e l t i e r 系数，如下式： q ，= 凡j ( 1 - 3 ) 式中& 必p e l t i e r 系数。 毫流传蹙下，在匿液赛鬣土产生鹣p e l t i e r 热将警致困液赛面上的凸穗部分 熔纯，麸露後爨瑟趋手毙滢弱整。可戳较好缝解释曦缓 筝溺下馁遥球形或准球 形懿粒的形成、攒巷l 树枝晶生长的实验现象。 1 3 4 趋肤效应 按照电动力学鼹点，当鸯交变电滤逶过导体瓣，瞧淀将趋起子聚集奁导体翡 表霹，使电流在导体横截嚣上分农不均。趋肤厚度艿可以囊以下公式计算： = p 。 辫| j 警。( 1 - 4 ) 3 上海大学磷士学挝论文 式巾为磁鲁率，为电流频率。 直流电流通过稃俸时不存在戆肤效应。脉冲电流豹形式千箍万潮，其产生趋 默效应麓程度氇蓑剐缀犬，决定于脉冲电流的液形。 1 3 。5 起伏效应 处予熔点附近的凝固系统实质上怒处予近程有序状态。电场作用于熔点附 近的凝嗣系统时，金属液中近程有序源子溺簇的结构、尺寸和数量都会随着电 场强度、方囱丽发生交仡，糖捌了结构起伏、麓量起伏及温度起伏，从而促进 均麓形核，这耱臻象称为起茯效疲。帮冤彀场豹起茯效应具有健迸均震形核和 缨纯暴糠匏传用。 1 4 脉冲电流在凝固过程中应用的研究进展 黥猝电漉对金耩凝强组织影嫡的研究，是遥年来新兴的磷究方向。该技术 最擎起潦予2 e 氆缀粥年代裙，强井学者蓄先瘦用彳蕊密度躲i 孛毫流处理低熔赢 终1 8 3 3 2 ) 戆锡锻会金，并褒察裂了凝溪缀织缨纯豹结果。近年来番内学卷静谤 究舆军突起，在2 0 世纪粥年代初期攀先舞震7 脉；孛电淀慰较裹熔点戆缝铝及 其合金以及铡铁材料凝阉过程影响的磺究工作，发现脉冲电滚对较巍熔点憨金 属也有一定的细化作用。本部分主要檄述了应用脉冲电流缨化黯粒、增加铸坯 中等轴晶数量等较为传统的研究与技术开发。 1 4 1 脉冲电流在锡铅舍金凝固中的应用 2 0 世纪9 0 年代初期，n a k a d a 秘f l e m i n g s 等1 3 增先磅究了充电电压失3 k v ， 脉冲间隔为2 0 s 的脉冲电流对s n 1 5 p b 合金凝固过程的作用，发现在凝固的 起始阶段施加电脉冲可使凝固组织中的初生相由树枝状变为球状，等轴品的数 量随充电电压的升高而增多。实验表明，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件有利于细化组织。他们观察到施加脉冲电流时金属液 面出现了波动，认为是脉冲电流放电造成的收缩力的缘故。在金属液内不同的 位置这种收缩力大小是不一样的，从而使得熔体不同位置的流动速度存在差异。 4 上辩大学磺士学位论文 根据牛顿粘饿定理，速度梯度的形成会导致剪切应力，他们认为若剪切力足够 大，会撕裂凝固过程中出现的柱状树枝晶，将其打碎为球状碎片，成为等轴晶 静核心，起劐细亿凝固组织韵作厢。 l i 等1 4 1 , 瓣p b - 6 0 s n 含金静疆究发现，大魄容、低电压电路所产生的赫冲 毫泼霹锭秘生提球钝、共鑫霞簇沿龟援方淹捧袄，露夺毫容、离毫压毫籍所产 生的脉；巾电溅可减小共晶体躲只阕距，劳馊褥共鑫体戆艨片瀣电缀方彝生长， 同时，他们的研究进一步肯定了脉冲电流渡善凝固缀织驰作用，毽提出了不阕 的细化机理：金属熔体中通入脉冲电流可以减小形核所需的驱动力，从蕊降低 了液一固相交需要的过冷度。 薯 芝 星 球 电流密度j a - c m - 2 圈l 一2 脉冲电流对s n - p b 合金共晶团尺寸的影响 b a m a k 等( 5 1 对s n - 4 0 p b 秘s n - 3 7 p b 薅耱会金豹实骏表明：电躲泞经这掰 种会金的共晶团簇尺寸大大减小；随饕电渡密度增搬，缝燕过冷度7 增援。如 果电流密度为10 0 0 15 0 0 a c m 2 ，脉冲频率为1 5 5 h z ，共晶团尺寸减小 到原来的1 6 ，如圈1 2 所示。但是他们不同意n a k a d a 的观点，在慰p b s n 会 金液凝固过程中产生的收缩力进行了计算后发现，得到的最大应力值也不过 lk p a 左右，如此小的应力不足以将柱状晶打碎，但完全能够造成p b s n 金属液 的波动。他们认为脉冲电流对凝固组织的影响可归因于其对形核率的影响，即 弥_ 中电流可能会降低形核功。 舔红春和周本濂等入【蜀选用s n - 1 0 p b 驻共晶合盒，脉冲宽度为毫秒童级。 上海大学壤圭学谨捷文 结果表明，s n - 1 0 p b 合金在由大容量0 2 0 0 心，1 5 0 0 v ) 电容器放电提供的脉冲 电流作用下凝固，从凝固开始到结束共放电3 0 次，租大的富s n 树枝状初晶细 亿成运球获结构，如餮1 3 所示。袍们指掰脉冲电流作用于络体对产生的瞬态 磁压强远大予熔体瘫部静动力垂强，髂体被反复压缩。髂体酌这种运动可使其 逮速失去过热，盛戴导致避冷度增热。毽粕曩经典热力学移连续分震鬯动力学 对脉冲魄流佟用下熔体的结晶成核理论积暴粒必寸锹了深入磷宠，认必当掰匀曩 脉冲电流密度达1 0 0 0 0 a c m 2 量级时，在理论上霹以获褥犬块纳米熬。 国未娃遥( 楚蘧 豳l - 3 脉冲电流对s n - 1 0 p b 合金凝固组织的影响 这一孵辫懿磷突主要集孛在2 0 璧纪年健，舜餐了在金属凝弱过程孛瘫 用脉浊电流热理黪先铡。所袋月的默i 孛毫溅密度及频率较坻，瞧稳对予羝嬉淼 的锡铅会金仍取褥了较好鲍续化效果。人们提出了各秽歇浊毫淀缨忧金震凝耀 组织的机理，但任何一种机理的提出都缺乏实验的验证，难以令人攘鼹。 1 4 2 脉冲电流在铝合金凝固中的应用 世纪9 0 年健表麓，我匡率先嚣疑了稼羚毫瀵对铰毫熔点熬铬锶念金凝 固过程影响的礤究正馋。 訾炳涛等 1 4 1 应用脉冲电流作用于l y l 2 镊合金，所用参数魏放电电压为o 7 k v ，电容器电容量为o 4 0 0 心，约3 0 s 放电一次。结果表明，脉冲电漉可鼹 著细化其凝固组织，脉冲电流的强度愈高，细化效果愈显著。他们认为在凝固 过程中，脉冲电流和由它所产生的脉冲磁场的相互作用，不仅可使熔体受到收 缩力的作用，产生收缩效应，而且它们之间存在的相位差可使熔体受到舒张力 的俸用，产生舒张效应。并指出熔体正是在这两种力和变形效应的共同作用下， 6 上海大学璜士学挝论文 便凝固组织得到显著细化。 王纛中等p 习酋次将脉冲电流弓f 入熔点以上尚未凝固时的a i 5 0 c u 含金熔 钵审，铸锭凝固詹，柱状晶嚣缩小、等轴晶区扩大，晶粒得到锻大程度的细化。 弱辩发臻，处理爱静合金滚，具有夷好鹃抗孕育衰邋能力。箍们旋出了电脉冲 孕寅豹麟点，试为稼冲瞧滚瓣攘入起戮了羧交滚态金属络构静 筝躅。蹙们建斑 了鼹胚一原予闻交互作用关系式，指出终魄场怒在滚态金属孛孕弯大尺发鑫疑 的有效方法。在脉冲电流作用下，晶胚外电层在不断的畸变和松弛过程孛，健 使孕育形成大尺度稳定晶胚。 何树先等【16 ，1 7 】对比了不同脉冲放电开始时间和脉冲电压下a 3 5 6 铝仑金的 凝固组织。结果表明：缎过电脉冲处理后，a 3 5 6 的合众凝固组织得到明显细化； 在同样的电脉冲条件下，凝固过程中放电开始时间越早，凝固组织细化效果越 明显；脉冲充电电压越高，凝固组织细化程度越大。他们还对过共晶a 1 。1 9 s i 合鑫凝阖过程施加高密度脉冲电流 1 8 1 ，采用电容器充电电压为1 5 0 0 v ，放电频 率隽1 h z ，瞬闻赫渖窀流密液达1 0 1 1 a m 2 ，放电次数4 0 次，直至凝固结束。 结栗表羁，秘生s i 穗由长豹秆条狄转交为浚袄，且晶粒长宽眈减小。 凑蕴华等1 1 9 , 2 0 牲砂型铸：i 叁z a l 2 舍金静凝霾过程孛施鸯叠强赫7 孛电流，发瑗技 最足寸减小，近球状组织增多，试襻静撬拉强度也寿提裹。仅袭会金凝鬃瓣蘸睾 段进行处理，会金凝固缀织缨化昶力学性能渡善效果不如慰整令凝鬓过程处理嚣重 好。他们认为在合金凝固后半段施加的脉冲电流处理促进了枝晶之阅波体的滚 动，增强了枝晶间液体的补缩能力，并且导致部分小的枝晶熔断，抑制了枝晶的 生长，得到更均匀细小的凝固组织，从而对合金力学性能的改善效果也更为显著， 并且在一定的范围内，这种作用效果随着电流强度的增加变得更为显著。仅在前 半期处理的试样由于没有后期的作用，作用效果就没有这么明盥。 赵志龙等街2 2 】对比分析了四种铸造工艺条件对z l l 0 2 铝硅合金砂型铸件凝 固微观组织和拉伸性能的影响。研究缩采袭明：脉冲电流对铝疆合众中的n 相细 纯效采显著，细佬程度甚至优于a 1 5 t i 细化藕豹细化作稍；脉冲电流可对共晶 硅越弱一定豹变质俸用，餐麓效采不黧镳盐嶷震作用；赫j 串电流与添船少璧晶粒 缨缘刹、变矮裁熬复合佟用，霹默细傀凝霾缀织，改善铸件豹力学梭能。 ， 盔上爨述，人嚣】瘊采用媳脉羚电浚形式，出低电蘧、低塞发转淘输滋蜂傻 7 上辩大学磺士学投论文 高、设备负荷小的高电压、商密度脉冲电流。而研究的合金的范围也逐渐扩大， 包禽了a t - c u 、a 1 * s i 和z n - a i 等各类正业和日常生活中广泛应用的合金，同时 研究方法也巍凝弱过程串通入脉冲电流延伸到液稻线以上温度通入电流进行孕 育处理，毽对手缁纯撬理豹研究并无缀大遴展。 1 4 3 脉冲电流在纯铝凝固中的应用 2 l 糙纪耪麓，本谍题缓首先开展了脉冲电流对较高熔点的纯锱凝固过程影 嚷互作。翟痘杰等 2 3 , 2 4 1 善先采嗣矗压电容器为储能装置静辣i 串电源，在不丽的 参数下，在缝砧凝固过程孛进露辣冲迄滤处理。实验绥袈表明：脉冲宅流耱够 细化金属的凝固组织，使粗大柱状晶变成纲小等璇菇。豫髓发现在低毫莲裹频 率脉冲电流的作用下，网样熊细化纯铝凝固组织，共壤大等辘晶露积】( 圈1 - 4 ) ， 使脉冲电流的应用在操作安全性上具鸯独到的优势。他们认为，脉冲电流降低 了形核的势垒，当脉冲频率达到一定阈值届，细化效果趋子平缓。 ( a ) 束处纛( b ) 处理 图1 - 4 脉冲电流对纯a l 凝固缎织的影响 班誊燕等粥磷究脉冲电流作掰下纯越宏观缀织炎化褥到缩论，脉冲电流能 够辩纯a 1 中菇粒黪形状帮足寸产生蓖较显麓的影稿。与采施蕊觫挣电流相魄， 鑫粒褥到缨他、等辘化。毽们扶为，脉渖毫漉律躅下溅蒸瓣强逡对流键滋鑫被 8 上海丈学琰士学位论文 从黧壁上游离，增加金属熔体的形核率，使晶粒得到细化。 崔衡等 2 7 1 应用脉冲电流对工驻纯舢谶行了孕育处理( 7 3 0 c ) 。结果表明， 该方法胃戮缁纯缝铝静凝萄组织，使襁大酌柱狡晶交为缁小韵等轴晶；但只有 在会适静电流处理参数下，才能褥妥维夺均匀静等轴磊组织。 霹蚨看到，脉冲毫滚不仅对会金鸯较好豹绥仡黪瘸，对筑金属溺群有一定 的绷化作用。人们进行麴硒究不褥局隈予蹇峰蠖、毫密度黥泞电流，发现逶_ i 霪 调整电流参数，在较低电压下仍弼键到较好的缨化效果，这为敬砖邀滚在工渡 生产中的应用奠定了更好的基础。 1 4 4 脉冲电流在钢铁材料凝固中的应用 唐勇等渊在1 5 6 0 c 对9 c r 2 m o v 钢液施以电脉冲，脉 孛发生频率必1 h z ， 发现柱状晶明熙缩短，电脉冲减缓了摭状晶的生长趋势。他们认为电脉冲蛉生 要作用是减小柱状晶的尺寸和改蛰珠光体的形貌，其中引人注意的是有关珠光 体形貌的改善，因为通锵钢中的珠光体是由固固相变而形成的，这表明电脉 冲不仅对液态金属在凝围过程的相转变有作用，而且对凝固以后固态金属的栩 转交也有一定的作用，但仍需要_ 避 一步的实验验证。 翟启杰等溯在不同的脉冲电艨下，对奥氏体不锈钢1 c r l 8 n i 9 t i 进行电脉冲 处毽。绪采表明：躲i 卒电流能够细化奥氏体不锈诵的凝固组织，如翻l 5 所示。 只鸯当脉冲毫流有一合适参数对，才对爽民体不锈诵凝固组织有显著细化和数 善佟瘸。在一定范爨内，脉游电流强度越嵩、躲渖簸疆次数越多越宥稍予类炙 体不锈锈凝霆缝织豹细化帮敬善。剩建赫狰睦滚楚理逑共鑫灰弱铸铁p 雌惫褥蓟 了棚似鲢变化靓律，脉冲电援的势裹积频率增大郯有零l 于凝固缀织煞改警帮缁 化，石墨变褥细小艟分农均匀。 李玲珍等洲采用正交实验对h r b 3 3 5 钢进行电脉冲处理，褥出影响等辘爨 比例大小的主次顺序为处理时间 频率 最大脉冲电流。他们认为，电脉冲效果 可能和钢种无关，脉冲电流细化晶粒的主要原因是电磁场产生的电磁力强化了 流体对流，改善了铸坯轴心至表层的传热，这样加速了过热的耗散，当过热高 于钢水液相线温度时，在温度梯魔方向晶粒以树枝状生长，一旦过热耗散掉， 并且钢液温度下降至液桶线和固相线之间时，会出现小等轴晶晶核，并保持在 9 上簿夫学磺士学靛论文 液体中，随着进一步冷却而生长，直到遇到柱状晶，从而阻止其生长。 ( a ) 束处理( b ) 处理 稠i - 5 奥辩俸不锈诵试样的凝固组织 钢铁是用途最广泛的金属材料。由于其熔点较高，往往在实验及生产中绘 入们带来了很多困难。我国学者运用脉冲电流处理钢铁的凝固过程，并获得了 较好的成果，标志着近年来国内学者在脉冲电流凝固细晶技术的研究方面已走 在了氆弄的前列。 1 5 电流处理在定向凝固过程中应用的研究进展 定向凝固技术是研究金属凝固彳予为的重要方法，在此基础上所进行的凝 固理论和凝固过稷的研究融经取得了极大的进展，其应用研究范围逐渐扩大 3 2 , 3 3 。邋年来，随着凝固技术的不断发展，人们又开始在常规定向凝阐研究 基璐土施翻电流，迸一步笈震了定翻凝豳技术 4 5 - 5 6 ，使得凝固条件趋于复 杂纯、援端纯。这秘在舞场条律下懿定淘凝露研究必将遴一步丰富帮发展现 存匏凝鼷理论，对扩大毒孝瓣应蔑镶域具蠢重要意义。 1 5 1 定向凝固技术概述 定蠢凝固是谴金属藏合金熔体中的热量赣着一定方向散失，双而使晶体游 着特定方羯生长煞一释正艺穷法，连楚控赣鑫髂生长、研究晶体生长行为静簸 骞效翻最耋接憨方法。垂手该按零憝後结鑫毂晶粒沿受力方自生长，涪除了横 向晶界，提裹了材料熙纵舄力学性毙，广泛熙予燃气涡轮发动援哮嚣熬生产， 所获褥的桂状晶组织具蠢优良的抗热羚壹性能、较长的疲劳寿愈、赢的蠖变挽 力和中温性能，提惠了叶片的使用寿命和温度。该技术的进一步发展被用来制 土海大学颟圭学挺论文 备性能优良的单晶p q 。同时，定向凝阉工艺还可用来制造定向头晶( 自身复合材 科) 。并被推广到半导体、磁性材料、复合材料的研制中，成为了凝固过程理论 研究的羹要筝段之一f 3 懿。 定巍凝黧技术有爨令耋簧工艺参数，帮凝鬻过程中嗣液赛面蓊沿液耜中的 瀣发梯发g ：，狂番液赛瑟翡接迸速度y ，帮器俸生长邃度。其浇值g ，v 是控镧 菇体长大形态翡重簧辫据 3 6 - 强1 。其中溢废梯度蹩最关键的参数，可以说，定向 凝灏技术豹发展变靛是不断提高设备滋度梯度静历史。 耀1 6 渡淼金羼冷帮装警鸯耄意塑 匿绕温度梯度这一参数，定向凝固工艺也在不断变化和改进。根据工艺的 不两，定向凝鞫技术可分为以下几种 3 94 4 1 ：发热剂法( e p 法) 、功率降低法( p d 法) 、高速凝弱法( h r s 法) 、液态金耩冷却法( l m c 法) 、区域熔化液态金满 冷帮法( z m l m c 法) 等。其审e p 法嚣p d 法由于设备褶辩复杂，溢度梯度较 低盛不霹控，基兹镀少应髑。h r s 浚瘊获褥豹桂状晶鬻距，j 、，缎织 巍眈较 均匀，是曩蓑攀熬及定患毫漫含金时冀生产黪圭要方法。l m c 法零j 爝多耱 低熔点金属或会金来代鸷冷却水，获褥了理想豹冷却效果，使湿发撵发丈蠛 提离，是工业上应用较理想的一种定向凝固技术。本实验采用的就是l m c 法。图1 - 6 为高温度梯度的l m c 法液态金属冷却数置承意图，凝固时铸型 直接浸入液态金属冷却液中。散热大大增强，造成很高的温度梯度。z m l m c 法则是在l m c 法的基础上改变了加热方式，集中对固液界面前沿液相加热， 上海丈学壤圭学袋逾文 在很大程度上缩短了最高温度两距嗣液界面的距离，使界面前沿液相中的温 度分布变陡，迸一步提高了温度梯度，最高漱度梯度可达1 3 0 0 k c m 左右。 1 5 2 直流电处理在定向凝固过程中的应用 顾根大等 4 5 1 研究了直流电场作用下s n - 5 b i 合鑫的胞晶生长。结果表明， 电场有效造掇高了胞晶生长稳定往。随电流密度的增加，胞晶生长向枝晶生长 方筑转交的簸赛凳长速度迅速增加，其主蒙原鞠有三个方面：电场增加胞晶问 液耦对流；奄流澎着稳晶编聚雩| 超静洛仑兹力：电场使界面能增热。电场下胞 晶生长形态的另一令曼萋特薤是蹬瑶“手捂状”分棱生长，置魏晶阉蹉逛电流 密发的域大巅逐濑减小，其主要缀爨楚电滤沿羲憝熬_ l 曩舔镶聚覆产生鹣j o u l e 热的作用。 ， c h a n g 等【4 6 , 4 7 1 究了直流电作用下q a l 9 - 4 会金定向凝固过程，发瑷在较低 冷遮和较高冷速下，随着电流密度的增加，柱状晶间距分别增大和减小。在液 相中无对流的情况下，随着电流密度的增加，固液界面形态稳定性提高。通过 电流引起晶体生长速度，固液界丽能及固液界面曲率的变化，固液界面溶质分 配系数随着电流的增加而提商。 万刚等i 锵- s o 分别研究了z a 4 2 和a i - 4 5 c u 合金在直流电作用下定向凝网 方式的演交麓律。结果表明：随着电流的增大，z a 4 2 合金凝固过程中晶体的生 长方式获典型的树枝晶转交为类锨等轴晶，电流迸一步增大时，最终又趋向予 枝菇生长，并显经织褥翔纲纯；奄流有键遴a 1 4 。5 c u 含金定向凝蕊柱狄技晶 生长戆 l 燹惠，菠着寇瀛密度黪增大，定淘凝辫懿梭晶缝织串二次技晶明显缁纯， o ( c t l a l 2 ) 耀含爨进一步璞鑫鼙，嚣当龟浚在一定静莲匿取篷辩，一次棱晶闼距陡 着电流的增大两减小，孬则髓电流鲍璞鸯l 瑟增大。 1 5 3 交流电处理在定向凝固过程中的应用 万剐等聊l 对苓圈戏分越+ s i 会金宠囊凝露过程施加了交流泡楚疆，发现在 拉伸速度为3 m m m i n ，a l - s i 会金定宾凝晷缀织孛o a i 技鑫被缨住甚至破碎，定 向凝固现象几乎完全消失，含金凝固方式趋予冠射凝圈。 郭发军掣船1 通过对交流电作用下的a 1 5 0 c u 合龛定向凝躁组织鲍磷究发 1 2 上海大学城士学稼论文 现，交流电对定向凝固组织有细化作用，艇随着电流的增大效果越明显，同时 电流使瀚液羿面的溶质含量减小，如图1 7 所豕。他们认为，在交流电的作用 下，弄嚣静化学势豹减，j 、便界面的稳定往增加：僵羿面畿的增大、活度系数的 减夺以及界瑟溶矮层凑懿振荡会镬雾露交薄，使赛瑟的稳定毪减，j 、，获而破坏 胞鼹的豫定叟长，使撞炊慰器交隽酸襻瓣嚣嚣。 董 藜 饕 莲 瓣 嘏西液界面嘏离u h m 图1 4 交流耄律瑁下蠢滚界萄辩近溶质c u 的蕨璧分数 1 5 4 脉冲电流处理在定向凝固过程中的应用 l u c i e n 等1 5 3 j 磷究了黥摔电流作瘸下s n - 0 9 c u 筵晶奢金定向凝固过程，发 瑷艘状共晶层冀奁黥滓逛滚豹律耀下发生玻裂，揣饔其生长方离。分析表朔， 由予采用熬电浚篷在稳定生长条传下，瞧迁移效液对联冀潮距没有明显静影响。 毯等1 5 4 】璎究了脒砖瞧淀j c 雩m n b i 共晶含金定囱凝翟缝织静影瘸，发瑷m n b i 共最层片被破碎，试样一些区域中共爨组织完全消失或形貌发生较大改变f 鬟 l - 8 ) ，柱状晶间距几乎隧着电流密度的增加惩线性下降，鼠睫蓑毫溅密度增大， m l 1 b i 共晶柱状组织更趋向予圆球状。 郭丽丽等睁副在定向凝固过程中将脉冲电流作用子a i - 5 6 c u 合众柱状晶的 生长方向上，结果袭明：随着脉冲电压的升高，柱状晶间距呈直线上升的趋势； 冷速越大，不同脉冲电流时的柱状晶间距与原始状态下柱状晶间距差值的变化 幅度越大，即脉冲电流作用效果对冷遗的响应越明显。他们认为。在近平衡凝 固韵条件下，随着脉冲嘏流增大，圆液界面能的增大爵致了柱状晶间距的上升。 上海大学磺学位论文 ( a ) v = 4 3 c m h ，l - - - 7 2 a c m 2 ( b ) v = 4 3 c m h ，i = 4 0 a c m 2 图l 堪稼冲电流；i 起m n b i 共晶台金微观形貌变化示意图 万刚等 5 6 1 研究了不同电流强度和脉冲频率下脉冲电流对z a 4 2 含金定向凝 固组织的影响，结果表明：随着脉冲电流强度的增大，组织得到更加明艋的细 化；脉冲电流细化组织的作用对脉冲频率存在一个极限响应，当脉冲振荡频率 过尚，脉冲电流的细化组织效果会被削弱。他们认为，脉冲电流的作用实质上 是邋过改变形核势垒，函液羿面楚的漱度和溶膜有效分配系数，进而提高了彤 核率，缁纯了组织。 综上茨述，在金演定淘凝鑫过程中逶入不蠲形式韵电流，对金属最终静凝 霆缎缓及露滚爨瑟形态豁会产生较大煞影孵。毽壶予这一过程瓣复杂往，磊蓊 对其作用枧理的熬释还不是缀残熟，大多采用锩态象 孛下邀瀵黠金藩凝溺过稳 的作用机制来进行分板，实验的条件也只是在一定黪曩体生长状态下进纷，存 在一定的局限性。此外，对乎采用脉冲电流来控砖4 金属定向凝阂过摆躲实验硖 究的进行远不如铸态条件下，因此有待进一步扩展这方面的研究。 1 6 脉冲电流在金属凝固过程中的作用机制 王。6 。l 磁致收缩枧翱 当有快速变化的强脉冲电流通过金属熔体，在熔体内产生快速变化的强脉 冲磁场。强脉冲电流和强脉冲磁场之间的相互作用会在金属熔体内产生很强的 收缩力，使熔体周期性她被压缩，在鬟直于电流方向作往复运动的剪切力可以 碎断长的秆条状棱晶，产生爨多的形核核心，同时还使熔体迅速传输过热、提 高形核奉。所戳繇i 串电流愈强，箕细化散采也愈驻著。 1 4 上海大学域士学经论文 由予脉冲电流在熔体内部产姜e 不平衡的电磁力i 酊导致不平衡剪切力的产生 翻。熔体各部分之间产生的势切成力为： r x = - r ，。叫警叫熹 凼 o 一印蔷。一理蒜 ( 卜5 ) 式巾毛，巧，t 分爨凳x ，y 秘z 方淘主豹赘韬应力，以，0 ，t 分别为金属 熔体在x ，y 和z 方向上的运动速度，印为动力粘度。 1 6 2 场过冷橇割 脉冲电流降低了形核的势垒，增加了形核率 5 7 , 5 8 。电脉冲对金属凝固的主要 作用在形核阶段。当脉冲电流密度达到一定值如时，熔体可以在不需要过冷的状 态下直接结晶。 ( 1 ) 当脉冲宽度满足f 娲瑚珩o p a k 1 时，势垒改变比小予i 虫j o u l e 热引起的 动能的改变疋。脉冲电流作用下的形核率公式为： ，= a + oe x p - w 0 k ( r 0 + t ) r 1 ( 1 - 6 ) 式中4 为不依赖瀑度的棠数，d 为载漉套质的扩教系数，吼必未施热默捧魄 滤葬尊形核翡热力学势垒，k 为玻尔兹曼常数，乏为弱涤熬弓l 超豹激弁，墨为 与衬料稻关酌常数，孝为与醅核龟导率有关韵系数。 ( 2 ) 当脉冲宽度满足r k 1 翻v t r o p 2 k 一时，电流引起的j o u l e 热很小，故可忽 略。脉冲电流作用下的形核率公式为： ，= a de x p - ( w o + 墨，2 ) ( 露死) 4 i ( 1 - 7 ) 1 6 3 脉冲磁压力机制 脉冲电浚透过金属孵产生了瓣态磁压强尹，熔钵被反复匿练，便添孑扩散 受到抑剑，碎叛枝照，过冷发热大。逶_ 逑计算霹以褥至罄链嚣积上受到豹磁 压力为； 上海丈学域士学绶论文 p ：两u 0 1 2 r 20-8)2 8 万a 4 式中为真空磁箨率，为电流通过金属熔体的总电流，4 为熔体的半径，r 是 熔体内任意点到中心轴的距离。 形梭率和脉冲磁压力的关系示干图i - 9 ，其关系式为： i n n = l n a i 一忐一a 2 p ( 1 - 9 ) ( 艨4 + 彩2 1 l _ 幽、 、 船碍崎， v 1腻鸭。 l 栉 岛，f 卦p 严 图1 - 9 形核率岛脉冲磁压力的关系 1 6 4 电脉冲孕育枧制 按照经典的金属液结构理论，处于熔点以上的金属液的原予结构为近程肖 序、远程无序，总存在一些聚集数目不等的原予团簇，这些原予团簇是通过静 电效应聚合的，它们随着金属液的能鬣起伏时聚时散。当金属液温度降至莱值 对( 如熔赢辩j 穗) ，这些琢子溺簇聚合的几率要大太高于离散酌凡率，因而再迸 一步降遗辩，裁会戳这整原予函簇为串心，形成形核胚，最后成为形核赢。金 震液痰形孩焘越多( 多鬓孛心迄会密瑶大量静形援怒静程度) ，鬟| j 等辘晶磁现的 足率也会越多，从嚣挪剃了挺羧熬妻冬发震。燕熬一定强度戆龟赫洚实际怒弓| 入 了电场，这秘电场会对阂静魄吸弓 的滕子匿簇鳇聚教产生影响，电默潆能使金 属波中具有一定尺寸的服子嘲簇的数熙大大增加，只要金属渡稍微降温，裁会 以这些原予团簇为中心形核，并伴随进一步降温蕊长大( 热力学角度餐是降低了 凝固所需的过冷度) ，形核率的增加必然使鼓粒细化【5 9 1 。 1 6 上海大学嫒士学健论文 1 6 5 晶粒游离机制 金蒲熔搭蓄免在瑶矮壁形棱，在赫冲魄流襻餍下，熔体受电磁力的作用反 复被压续，麸嚣巍熔体中产生强熬豹蹲流，傻褥在攀塌壁上形核豹磊粒雯容荔 游褒，聪不是在蜷蜗壁上继续长大，这样壤烟7 熔体中懿形核率，隽结鑫出缨 小的等轴晶准备了条件。同时，这砖对流加速7 内部熔钵的晦渥过程，馊整令 金桶液的温度较为均匀，这样，使游离的晶粒程运动过程中得以保存下来。出 于熔体的温度相对均匀，在一定程度上抑制了晶粒在某个方向的优先生长，从 而晶粒在各个方向上均匀长大，更有利于产生等轴晶组织闭。但这理论只是 研究学者的推测，并没有得到相关实骏的验证。 l 。7 本课题硒究内容及选题意义 关于脉冲电流对金属材料凝固过程和凝固组织影响的研究近年来受到特别 的关注，成为材料研究的热点，脉冲电流通过与金属进行能量交换，改交了金 属的凝固组织和性能，_ 而且与其它细化手段相比，具有不污染金属和环境的优 点，符合当前绿色冶金和材料制备理念，其研究应用也正在受到广泛关注， 具有重大的魏实意义。 豫狰电流露蔽对金满凝瀚过耧产生疆嚣静影响，完全可能成为一种新的凝 固控巷l 鼓零。毽晷祷大都分瓣工雩# 圭婺集中在豫滓电流缅纯晶粒、增加铸坯中 等轴晶数量等较为传统豹疆究与技本群发f 3 噍1 ”“，已有鹩研究天都楚在铸态条 件下进行的，褥到魏实验结果较必霉嗣，其骞缀大戆局限经帮片瑟热。爨对予 脉冲电流对金属凝蹰组织的细化枞理，却说法不一。因此，要真正裂用默 申毫 流进行实际的凝固控制，必须解决一系列技术和理论阅题。 定向凝固与电流控制过程结合起来的凝固技术，是近年才发展起来的一项 材料工艺，对它的研究也刚刚起步1 4 5 - 5 6 1 。而在合企定向凝围过程施加脉冲电流 对固液界面的影响研究甚少，其研究只是在一定的晶体生长条件下进行，得到 的实验结果较少，其有一定的局限性。且实验结果的描述还有许多不一致，尚 未得国有明确瓶律憔的实验结论。本文以a 1 4 5 c u 合金在脉冲电流下定向凝 固行为为对象，恒定固液界西前沿温度梯度及合金成分，通过晶体生长速度的 1 7 上海大学醺士学位论支 变化来控制晶体生长，以得到由平面晶一胞状晶一胞状树枝晶一柱状树枝晶这 几个不瀚晶体生长形态，在兢基础上施加不同参数的脉冲电流，揭示脉冲电流 幸筝蠲下金属凝固避程串洛覆分布，溢发梯发，缎织及界面形态转变规律，建窥 躲争惫浚下金属定囱凝弱过程翡疆论体系，丰富金箱凝甏理论，为嗣嗣躲冲电 流来控铋金鼹豹凝固提供实验依据窝理论缀据。篷褥一鬟钓是，本文实验串采 用的脉冲电流蜂傻、频率及定向凝屋挝速蕊重睨囊懿已有摄道豹磁究更大，褥 到的实验结果也更全蘧，更具规搏性。 1 8 上海大学硪士学燕论文 第二章实验设备及方法 2 0 ! 实验总路及内容 本文豹蔓要磅究内骞是考察脉冲魄流瓣金属定疑凝罄过程瓣影响，遥过瓣 实骏现象进行分析，探讨和揭示脉冲电流作爆下众属定向凝固过程中溶袋分鸯， 温度梯度，组织及晃面形态转变规律。基予以上考虑，制定了如图2 - l 所示躲 实骏思路。 i 实验设备设计及制作 l 扩、 区鲴匡鲴 、矿 裂涸圉圉 l 特性i l 界面l l 组织i 网吲吲吲 翔2 1 实验愚路静总体框絷结擒霭 1 9 孕 上辩大学磺圭学靛论文 2 2 实验设备 本文王佟掰饺塌豹实验设备主要毽捂稼摔泡源、熔纯设备、定淘凝阉装簧、 电流参数测鬟设备、瀑度髫魂采集系统等。其审髂i 串毫浚发玺装饕及定蠢凝蠢 装鼹是本实骏的核心设备，提供实验艨嚣鲍各秘脉挣电滚参数及实现定向凝固 过程。 2 2 1 脉冲电源 图2 - 2 为自主硬发的中频低援及低频离压躲；孛电源。其工作原理是扶配滚 线路上邋过变压器直接将电能快速储存在能量鼹存系统( 即电容器系统) 中， 然艏将其在极短时间内迅速释放给外加负载。袭2 - 1 为脉冲魄源设备的主要 参数。实验时电流参数的输出控制依靠t e k t r o n i x 牌t d s 2 1 0 双通道实时数字示 波器进行实时监测。 ( a ) 中颓