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上海大学博士学位论文 脉冲电流对金属凝固组织的影响 摘要 脉冲电流对金属凝固过程具有重要影响。研究电流对凝固组织的作用规律，探讨 其作用机理是材料制备领域的重要研究课题。本文采用自主研制的中频脉冲电源，以 纯铝、纯铜和铝硅、铝铜二元合金为研究对象，运用实验研究方法，探讨了脉冲电流 对金属凝固过程及组织的影响，揭示了脉冲电流细化金属凝固组织的机理。 实验研究了中频脉冲电流峰值、脉冲频率及脉宽对纯铝、纯铜凝固组织的影响规 律。结果表明：随着电流峰值密度、脉冲频率的增加及脉冲宽度的减小，纯铝的凝固 组织由未处理试样的粗大柱状穿晶组织转变为细小的等轴晶组织；但中频脉冲电流对 纯铜凝固组织的细化作用不明显，而高压脉冲电流对纯铜凝固组织有较明显的细化作 用。这说明脉冲电流对纯铜凝固组织的细化需要更大的脉冲能量，反映了脉冲电流对 金属凝固组织的细化作用与金属的性质有密切关系。 研究了脉冲电流对铝硅、铝铜合金宏观和微观凝固组织的影响。发现随着脉冲电 流峰值密度和脉冲频率的增加，亚共晶铝硅、铝铜合金宏观凝固组织由未处理时的粗 大等轴晶转变为细小等轴晶组织，其微观凝固组织中初生o ：- a 1 相由粗大的柱状树枝 晶转变为细小等轴晶。铝硅合金中初生0 5 - a i 相的量增加，其组织中的共晶硅相随脉 冲电流参数的增大由未处理时较大的长条状转变为细小的短条状，且分布变得均匀； 铝铜合金微观组织中二次枝晶变短且逐渐消失。研究还发现，随着溶质含量的增加， 脉冲电流对铝铜合金凝固组织的细化作用减弱。这也说明脉冲电流对金属的细化作用 与金属的性质有密切关系。 本文从研究脉冲电流对晶体形核和晶体长大的影响出发，探讨了脉冲电流对金属 凝固组织细化的机理。首先，根据纯铝的不同凝固阶段设计了8 种脉冲电流处理工艺， 发现脉冲电流作用于形核之前的高温液相阶段对凝固组织没有细化作用，作用于晶体 生长阶段对凝固组织的细化作用也不明显，而作用于凝固的形核阶段对纯铝凝固组织 细化效果最佳。由此发现脉冲电流对金属凝固组织的细化作用是极大地提高了金属的 形核率。为了进一步探讨其机理，本文又设计了在铸型中放置金属网和铸型预热实验。 结果表明：脉冲电流作用下铸型型壁上晶核的不断形成和脱落是脉冲电流细化金属凝 一i 一 上海大学博士学位论文 固组织的直接原因，延迟型壁处形成凝固壳层的时间会极大地提高脉冲电流细化金属 凝固组织的效果。 在上述发现的基础上，本文利用电动力学和电磁学理论研究了脉冲电流对金属熔 体凝固形核过程的作用，建立了脉冲电流导致晶核增殖的数学模型。揭示了凝固组织 的细化不仅与脉冲电流参数有关，而且还与金属的物化性能及铸型材料有关，从理论 上解释了相同脉冲电流参数下脉冲电流为何对不同金属的凝固组织有不同的细化效 果。通过对脉冲电流作用下晶核的运动分析，解释了试样凝固组织的晶区形状形成原 因。 利用定向凝固技术研究了脉冲电流对晶体生长的影响。结果表明：脉冲电流使界 面前沿液相中的溶质浓度降低，溶质扩散层厚度减小，脉冲电流显著增大固液界面前 沿液相中的温度梯度。当下拉速度为3g m s 时，可使界面生长形态由未施加脉冲电 流时的胞状晶生长形态转变为平面晶生长；当下拉速度为1 4i t m s 时，可使未施加脉 冲电流时的胞状枝晶生长形态转变为胞状晶生长形态；当下拉速度为9 6j - t r n s 时，脉 冲电流能够抑制柱状树枝晶的二次枝晶臂生长，使二次枝晶臂变短甚至消失。 脉冲电流提高了固液界面生长形态的稳定性，增大了由平面晶向胞状晶、胞状晶 向胞状树枝晶转变的临界生长速度。研究发现，随着脉冲电流的增大，界面生长的糊 状区深度和一次臂间距逐渐减小。 关键词：脉冲电流，金属凝固，晶粒细化，细化机理，晶体形核和长大 上海大学博士学位论文 e f f e c to fe l e c t r i cc u r r e n tp u l s eo ns o i i d i f i c a t i o n s t r u c t u r eo fm e t a l a b s t r a c t t h ee l e c t r i cc u r r e n tp u l s e ( e c p ) r e m a r k a b l yi n f l u e n c e so ns o l i d i f i c a t i o np r o c e s s e so f m e t a l i nr e c e n ty e a r s ，s t u d y i n ge f f e c ta n dm e c h a n i s mo fe c p o ns o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ei s a ni m p o r t a n ti t e r ni nf i e l do fm a t e r i a lp r e p a r a t i o n t h ee f f e c to fe c po ns o l i d i f i c a t i o n p r o c e s sa n ds t r u c t u r eo fp u r ea 1 ，p u r ec u ，a n da 1 一s i ，a 1 一c ua l l o y si s e x p e r i m e n t a l l y i n v e s t i g a t e db yu s i n gs e l f - d e s i g n e dp u l s ec u r r e n te q u i p m e n t ，a n dt h er e f i n e m e n t m e c h a n i s mo fe c po ns o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ei sa n a l y s e d u s i n gp u l s ec u r r e n tw i t hl o w e rv o l t a g ea n dh i g h e rf r e q u e n c yi n v e s t i g a t e st h ee f f e c to f p u l s ec u r r e n tp e a kv a l u e ，f r e q u e n c ya n dp u l s ew i d t ho ns o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eo fp u r ea 1 a n dc u t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eo f p u r ea 1t r a n s f o r m sf r o mc o a r s e c o l u m n a rc r y s t a li n t of i n eg l o b u l a rc r y s t a lw i t hi n c r e a s eo fp e a kv a l u ec u r r e n td e n s i t ya n d f r e q u e n c yo rd e c r e a s eo fp u l s ew i d t h h o w e v e r , t h er e f i n i n ge f f e c to fp u l s ec u r r e n tw i t h h i g h e rv o l t a g ea n dl o w e rf r e q u e n c yo ns o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eo fp u r ec ui sm o r et h a nt h a t o fp u l s ew i t hl o w e rv o l t a g ea n dh i g h e rf r e q u e n c y i ti s i n d i c a t e dt h a tr e f i n e m e n to f s o l i d if i c a t i o ns t r u c t u r eo fp u r ec um u s tu s e al a g e re c p , w h i c hr e f l e c t st h e r ei sa c l o s e l y r e l a t i o n s h i pb e t w e e ne f f e c to fe c po ns o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fm e t a l t h ei n f l u e n c eo fe l e c t r i cc u r r e n tp u l s eo ns o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eo f h y p o e u t e c t i ca 1 s i a n da 1 一c ua l l o yi si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e i rm a c r o s t r u c t u r ei s r e m a r k a b l y r e f i n e db yu s i n ge l e c t r i cc u r r e n tp u l s e m o r e o v e r , w i t ha ni n c r e a s eo ft h ep e a kv a l u ea n d f r e q u e n c yo fc u r r e n t ，n o to n l yt h es i z eo fg r a i ni sd e c r e a s e d b u ta l s op r i m a r y 口a 1p h a s e o fm i c r o s t r u c t u r ei s 仃a n s f o r m e df r o md e n d r i t i c c r y s t a l si n t oe q u i a x e do n e s f o rt h e m i c r o s t r u c t u r eo fa 1 s ia l l o y , q u a n t i t yo fp r i m a r y 口一a 1p h a s ei n c r e a s e s ，a n de u t e c t i c s i p h a s ei sc h a n g e ds h o r ts t r i pa n dw e l l - p r o p o r t i o n e dd i s t r i b u t i o nw i t he c pf r o ml o n gs t r i p w i t h o u te c ef o rt h em i e r o s t r u c t u r eo fa 1 一c u a l l o y s ，t h es e c o n d a r y - a r mg r a d u a l l y d i s a p p e a r s i na d d i t i o n ，w i t ht h ei n c r e a s eo fc uc o n t e n to fh y p o e u t e c t i ca 1 c ua l l o y s t h e r e f i n i n ge f f e c to fe c p o nm a c r o s t r u c t u r ei sw e a k e n e d ，w h i c hi l l u s t r a t e sf a r t h e rt h a tt h e r ei s ac l o s e l yr e l a t i o n s h i pb e t w e e ne f f e c to fe c p o ns o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c s o f m e t a l t h er e f i n i n gm e c h a n i s mo fe c po ns o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ei si n v e s t i g a t e db ys t u d y i n g e f f e c to fe c po nc r y s t a ln u c l e a t i o na n dg r o w t h i i i 上海大学博士学位论文 f i r s t l y , e i g h te c pt r e a t m e n tt e c h n i q u e s a r e d e s i g n e da c c o r d i n g t od i f f e r e n t s o l i d i f i c a t i o ns t a g eo fp u r ea 1 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es o l i d i f i c a t i o n s 仃u c t l l r ec a l ln o tb er e f i n e db ye x e r t i n ge c po nh i g ht e m p e r a t u r el i q u i dp h a s e t h ee c p h a sa l s on oo b v i o u si n f l u e n c eo nt h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ew h e ni ti sa p p l i e dd u r i n g c r y s t a lg r o w t h h o w e v e r , t h ev e r yf i n es t r u c t u r ei so b t a i n e db ya p p l y i n ge c pd u r i n gt h e n u c l e a t i o no ft h em e l t t h e s ev e r i f yt h a tr e f i n i n ge f f e c to fe c po ns t r u c t u r eo fm e t a li s p r o m o t i n gt h en u c l e a t i o nr a t e f o rm a k i n go u tt h er e a s o no fe n h a n c i n gn u c l e a t i o nr a t e ， s e c o n d l y , t h ee x p e r i m e n t so fw i r en e t t i n gb e f o r e h a n dp u t t i n gi n t oe a c hs a n dm o u l da n d p r e h e a t i n gm o u l da r ed e s i g n e d t h er e a s o no fe n h a n c i n gn u c l e a t i o nr a t ei sc e r t i f yt h a tt h e n u c l e ic r e a t e do nt h em o u l dw a l la r eb r o k e no f fa n df a l li n t ot h em e l t ，a n dc o n f o r i l l e dt h a t t h en u c l e a t i o nr a t ei n c r e a s e sb y r e t a r d i n gt h ef o r m a t i o no ft h es o l i d i f i c a t i o ns h e l l b a s e do nt h ea b o v er e s u l t s ，t h ee f f e c to fe c po ns o l i d i f i c a t i o nn u c l e a t i o np r o c e s si s s t u d i e db yt h e o r i e so fe l e c t r o d y n a m i c sa n de l e c t r o m a g n e t i c s ，a n de s t a b l i s h e dt h e m a t h e m a t i cm o d e lo fn u c l e u sm u l t i p l i c a t i o nb ye c et h e s es h o wt h a tr e f i n e m e n to f s t r u c t u r er e l a t ew i t hn o to n l yp a r a m e t e ro fe c pb u ta l s oc h a r a c t e r i s t i co fm e l ta n dm a t 丽a l o fs a n dm o u l d ，w h i c hm a k ec l e a rw h yh a sad i f f e r e n tr e f i n i n ge f f e c tf o rv a r i o u sm e t a lw i t h s a m ep a r a m e t e ro fe c p , a n dm a k eo u tt h ef o r m a t i o nr e a s o no fs h a p eo fg l o b u l a rc r y s t a l z o n eb ya n a l y z i n gm o v e m e n to fn u c l e u su n d e re c p t h ee 虢c to fe c po ni n t e r f a c ef r o n to ft e m p e r a t u r ef i e l d s o l u t ef i e l da n di n t e r f a c e m o r p h o l o g ya n ds t a b i l i t yi si n v e s t i g a t e dd 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 n t h er e s u l t ss h o w t h a te c pc a nd e c r e a s es o l u t ec o n c e n t r a t i o na n ds o l u t eb o u n d a r yl a y e rt h i c k n e s sn e a r b y f r o n to fs o l i d l i q u i di n t e r f a c e ，a n di n c r e a s er e m a r k a b l yl i q u i dt e m p e r a t u r eg r a d i e n ta t i n t e r f a c e a p p l i c a t i o no fe c pc o u l dm a k e ss o l i d l i q u i di n t e r f a c ec h a n g ef r o mc e l l u l a rt o p l a n a ri n t e r f a c ea tt h ep u l i n gr a t eo f3i 工m s f r o mc e l l u l a r - d e n d r i t i ct oc e l l u l a ri n t e r f a c ea t t h ep u l i n gr a t eo f14 p m s w h e nt h ep u l i n gr a t ei s9 6 i ，t r n s ，a p p l i c a t i o no fe c ps u p p r e s s e s t h es e c o n d a r yd e n d r i t e s ，a n dm a k e st h e ms h o r t e ne v e nd i s a p p e a r t h ee c pi m p r o v e st h es o l i d l i q u i di n t e r f a c es t a b i l i t ya n di n c r e a s e st h ec r i t i c a lg r o w t h v e l o c i t yt h a tt h ei n t e r f a c em o r p h o l o g yt r a n s f o r m sp l a n a rc r y s t a lt oc e l l u l a rc r y s t a la n d c e l l u l a rc r y s t a lt oc e l l u l a rd e n d r i t e i ta l s os h o w st h a tt h ec e l l u l a rs p a c i n ga n dt h em u s h y z o n ed e p t hd e c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gc u r r e n td e n s i t y k e y w o r d s ：e l e c t r i c c u r r e n t p u l s e ，s o l i d i f i c a t i o n ，g r a i nr e f i n e m e n t ，r e f i n i n g m e c h a n i s m ，c r y s t a ln u c l e a t i o na n dg r o w t h 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发表或撰 写过的研究成果。参与同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： 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此规定) 签名：导师签名： i i 上海大学博士学位论文 本文的主要创新点 1 发现在金属熔体形核阶段施加脉冲电流是细化金属凝固组织的最有效阶 段。通过实验研究的方法，获得了脉冲电流细化金属凝固组织的机理是：在金属 凝固过程的形核阶段，脉冲电流产生的电磁力使铸型壁上形成的晶核不断脱落增 殖。 2 建立了脉冲电流作用下晶核增殖的数学模型，结果表明脉冲电流对金属 凝固组织的细化效果不但与脉冲电流参数的大小有关，而且与金属本身的物理化 学性质有关。 3 通过对脉冲电流作用下a 1 4 5 c u 合金定向凝固的研究，发现脉冲电流有助 于提高晶体生长的稳定性，可显著提高由平面晶向胞晶、胞晶向树枝晶界面生长形态 转变的临界生长速度。 上海大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 材料是社会进步的基础和物质先导，它直接推动人类社会的巨大变革。材料科学 主要研究材料的成分、结构、功能和性质之间的关系，从中发现规律性的认识。近年 来，材料科学已成为一门综合性的应用学科，它主要应用物理学( 特别是凝聚态物理) 、 化学、冶金学、陶瓷学和计算机科学等实验和理论的最新成就。正如美国材料科学家 詹姆斯谢弗( j a m e se s c h a f f e r ) 所言【l 】：“材料是所有科技进步的核心”。当今，能源、 信息技术和材料被称为现代社会的三大支柱。信息技术、生物技术、新材料技术和新 能源技术已构成一个前所未有的科学群。 随着现代社会的高速发展，传统的材料已越来越不能满足社会发展的需要，先进 材料和先进材料制备工艺的研究成为当前材料研究的热点。而先进材料制备技术更是 从基础研究到工程应用的必由之路，是提高材料质量及降低成本的重要途径，是有效 利用资源和能源、减少污染的重要手段。特别是随着绿色环保材料概念的提出，制备 高性能、绿色、全生命周期的金属材料成为当前材料研究的重要课题。现代化工业大 生产导致了各种资源无节制地消耗，以致出现资源日益短缺的局面，同时还把大量使 用过的废弃物排放到环境中造成污染。因此，从人类可持续发展的前提来看，从材料 的设计和制造开始就应考虑如何使材料充分发挥潜力，提高使用寿命和价值，同时使 废弃的材料可以回收利用，以节约资源和减少污染。为此，一定要赋予现有的结构和 功能材料具有与环境相容协调的本质，同时还要大力设计和制造用于消除目前存在的 已被污染的气体、液体和固体的新材料，化害为利，使之成为新的材料或能源，彻底 结束传统的生产使用废弃对环境造成的恶性循环。为此，材料工作者要从人 类长远利益出发，在材料的设计、制造和使用上更多地考虑到环境，努力减轻材料对 环境的压力，研制出生产、使用与环境相协调的材料。 金属材料的性能取决于材料的宏观及微观组织，因此通过控制和改变凝固组织可 以达到改善材料性能的目的。金属凝固组织取决于对凝固过程的控制。控制金属凝固 过程的研究一直是材料科学工作者研究的重点，特别是对金属凝固组织细化的研究成 为改善金属力学性能和使用性能的重要手段，是材料科学领域中长久不衰的研究重 上海大学博士学位论文 点。细化金属凝固组织的传统方法主要有化学细化法【2 卅、物理细化法【5 7 1 及工艺方法 【8 ，9 】等。其中化学细化法是向液态金属中添加孕育剂、变质剂等以增加形核质点或抑 制晶核长大，这种方法对金属凝固组织的细化效果显著，使其成为生产中广泛应用的 金属组织细化方法，这种方法不但在处理过程造成对环境的污染，而且添加物质还会 对金属液造成污染，影响了材料的可回用性，从而增加了材料的环境负荷。物理细化 法主要采用机械搅拌、电磁搅拌等，使液态金属产生强烈的对流，导致枝晶的折断和 破碎，达到晶核增殖。但强烈搅拌使金属液上下翻动，这样也易于卷入空气和其它的 一些氧化夹杂物，对金属液造成不可避免的污染；而且其设备与工艺较复杂 1 0 , 1 1 】。工 艺方法主要是控制浇注工艺、冷却条件及利用成分扰动生核。 由此可见，利用传统的凝固细晶方法对于提高金属的性能存在一些不足。探索和 发现先进的凝固组织控制方法成为材料研究领域的一个热点。近年来，将电流 1 2 - 1 5 】、 磁场 1 6 - 1 9 】、超声波【2 0 2 2 】等物理场作用于金属凝固过程，达到控制和改善金属凝固组织 的目的，极大地改善和提高了金属的性能。其中，脉冲电流已成为材料制备过程中施 加的重要物理场技术，在金属材料制备过程中得到了广泛研究及应用 2 3 2 5 1 。所谓脉冲 电流凝固细晶技术是指在金属凝固过程中施加脉冲电流，通过调节脉冲电流参数达到 控制或细化金属凝固组织的方法。脉冲电流凝固细晶技术正是克服了传统晶粒细化方 法的不足，完全是一种绿色环保的材料制备方法，而成为近年来改善金属凝固组织方 法的研究热点。 1 2 脉冲电流在金属材料制备中的研究进展 1 2 1 脉冲电流对固态金属材料组织和性能的影响 ( 1 ) 脉冲电流对金属材料塑性变形及金属疲劳性能的影响 1 9 6 3 年原苏联科学家t r o i t s k i i 发现在表面涂汞的锌单晶拉伸试验中，电子照 射可使金属塑性得到显著提高 2 6 】，并且发现电流脉冲可以降低形变应力，增大锌的塑 性变形能力。随后研究人员在p b 、i n 、c d 、s n 等金属材料中也观察到类似现象 2 7 - 2 9 】， 并发现在很多金属与合金中都存在电致塑性效应，且脉冲电流导致的电塑性效应最 大。电塑性效应被认为是由于电子流与位错发生交互作用【3 0 1 ，运动电子流给位错施加 作用力，促进位错的运动，同时提高了位错越过障碍的能力，因此提高了金属的塑性 变形能力，改善了材料的加工性能。受此启发，许多学者研究了脉冲电流对金属材料 上海大学博士学位论文 疲劳寿命的影响 3 1 - 3 3 】。研究发现，脉冲电流能显著提高金属材料的疲劳寿命，认为脉 冲电流对驻留滑移带中的位错运动或次滑移系中的位错运动有影响，提高了滑移的均 匀性。 ( 2 ) 脉冲电流对固态金属组织转变的影响 研究发现脉冲电流对固体金属材料的组织转变具有显著的影响作用。美国的 h c o n r a d 等人 3 4 - 3 6 】对脉冲电流作用下金属的退火再结晶过程进行深入的研究。结果表 明，脉冲电流能够降低再结晶的起始温度，缩短回复与再结晶的时间，显著细化再结 晶晶粒。刘志义等【3 7 】在研究脉冲电流作用下铝锂合金的再结晶过程时，发现脉冲电流 促进位错墙的形成及其角度的增大，加快再结晶核心的形成，促进位错在晶界上的攀 移，减小了形核界面两边的能量差而降低形核界面的迁移速率及再结晶核心的长大速 率。张伟等【3 8 】利用高密度脉冲电流使冷s l a , - c u ( z n ) 、t i c n i ( c r ) 金属陶瓷、l c 6 超硬 铝等材料内部形成了局域纳米结构。认为粗晶向纳米化转变的机制是电脉冲作用下的 高速加热、热应力、削减的热力学势垒和较大的电子冲击力等多种因素作用的结果。 赖祖涵、h c o n r a d 等【3 9 舯】在对非晶f e b s i 进行脉冲电流处理时发现，高密度的 脉冲电流可引起非晶合金的结构驰豫，使这种合金形成纳米晶，并可以通过调整脉冲 电流参数控制晶体的形核与长大。黄金亮等对f e 7 3 c u l m 0 2 n b l b l 3 s i 9 非晶合金进行 了电脉冲晶化处理，发现电脉冲处理不但得到较常规等温退火更细小的纳米晶，而且 合金韧性也得到提高。 ( 3 ) 脉冲电流对材料裂纹愈合的影响 周本濂等 4 2 - 4 4 深入研究了脉冲电流对t i - 6 a 1 4 v 合金及4 5 碳钢裂纹扩展的阻滞 与愈合的影响。研究认为在疲劳裂纹扩展过程中，大电流脉冲影响裂纹尖端的扩展行 为。裂纹尖端对裂纹的再扩展有阻滞效应，减缓疲劳裂纹的扩展，延长疲劳裂纹的扩 展寿命；裂纹周围由于局部电阻率的增大会快速升温引起瞬时热压应力，在这种热压 应力的作用下，裂纹两侧面相互靠近，当其面间距减小到一定程度时，加之局域高温 的作用，裂纹就可能愈合。对4 5 钢损伤恢复的研究表明：要实现裂纹的愈合需要三 种填充机制同时起作用，即：位错填充刃型位错向裂纹处滑移；扩散填充- 一碳 原子在脉冲电流作用下向裂纹处富集；压合填充由于温升产生的热压应力远大于 冷却产生的拉应力，使冷却时裂纹不易被拉裂。 上海人学博十学位论文 122 脉冲电流对金属凝固过程的研究进展 把脉冲电流引入金属凝咧过程中，是凝固控制技术的重要进展。近十几年来，材 料科学工作者对脉冲电流在金属凝吲过程中的作用进行了不懈的研究，取得了一系列 令人振奋的研究成果，使浚技术正飞快地朝着实际生产的目标通迸。脉冲1 u 流作崩f 的金属凝同已成为困内外凝固科学和新材料制蔷技术的研究热点”55 ，幽内学者在该 领域碾的研究更是走在了世界前列。 电流凝崮技术的起源可追溯到18 6 1 年g e r a r d i n 首次发现液态余属的“电迁移” 现象。由】离了迁移胜的小同，在外加电场作用f ，电介质溶液的溶质分布和浓度会 发生变化，这被称作足“电迁移”敛i 监”。上世纪6 0 年代，v e r h o e v e n 等对这一现 象进行了深入的研究，他们在b i s n 金中通八r 巳流密度为2 0 0 0 a c m 2 的| 一定电流， 发现电h 燃，u 以改变溶质有效分配系数5 “。随后，p f a n n 和w a g n e r 提出了“场凝结” 概念，利用溶质离了迁移性的差异，通过施加电流密度为1 0 0 0 a 口n 2 以上的直流电流， 从町改变了热品合金凝固界面【j 订沿的溶质分布，并分析认为在电场作用r 溶质分配系 数仃较大的变化范围”i 。 9 7 4 年v a s h c h e n k o 等人首次发现了在低密度电流作川下 的液态会属离子的屯迁移效应他们在铸铁( 3l 34 c ，i9 r 28 s i ) 凝刚过程叶j 通入4 - 5 m a c m 2 直流 u ，结果发现石墨片的形状发生变化、尺寸减小，基体l u 珠光体 含量增加，铁索体含量减少，并日非舍属央杂物数量血减少p 。 f 1 1 未经电流处理( 2 ) 经过【u 流处理 幽i - il u 流处理前斤p b s h s n 台会凝同组织 l 海人学博士学伊论文 1 9 8 4 年，印度学者akm i s r a 【j 1 1 住- j ：合金p b s b - s n ；疑同过程中施加直流电，r u 流密度为3 0 4 0 m a c m 2 ，电压约为3 0 v 结果发现凝同后的组织得到了细化，如图 i 1 所示。采片 电流密度5 0m a c m 2 、电压2 0 v 的电流处理镣镁耐磨铸铁，发现电流 可以改变铸铁次结晶组织，在原来的铁索体和石幂组织中发现了殊光体并使石墨 尺、j 平均减小2 0 4 0 。85 ”。从此诞牛了崩i u 流米控制金腻凝田，细化凝固缌织 的新技术。1 9 9 0 年，m n a k a d a 等o 使用咏冲r n 流作用j s n p b 合金的j 疑同过程。 f 1 ) 对金属凝| 直| 组织的影响 1 1 刘低熔点合金凝同维纵的影口l q 脉冲电流对会属凝固组织的研究是从低温台金逐渐t u 高温台金过渡的过程。早期 研究巾，主要集。p 在p b s n 合金。m n a k a d a 等在使丌| 脉冲电流研究s n 一15 p b 介金 的凝固过程巾，发现凝固虮织小再出王见柞状晶，而，璺成球状等轴品。l i l i a n m i n g 等1 对p b 一6 0 w t s n 晌研究得到了i 叫样的绵果，t j f = 发现大电容、低电e 电路所产生的咏冲 电流可使卡j 生相球化，共晶团沿电极方向伸长，而小电弈，高电址电路，“乍的脉冲电 流虽不能改变仞生相的树枝状特征，但可减小l 晶体的片m 距，兆晶体的层片均泔电 极方向生长。jpb a m a k 、h c o n r d 等”1 研究了脉冲电流刈p b 6 0 w t s n 和 p b 6 3 w t s n 合会莛品凝吲 n 织的影日q 发现随电流密度的增j j 口过冷度圩 人，电流增 加一个数量级，其晶团尺、_ 将会减小一个数显绒， 鄢红奋和周本濂等人”“对s n 1 0 p b 亚其品台金的凝固过程进行了脉冲电流 ( 12 0 0 , t t f ，l5 0 0 v ) 处理，从凝固刀始到结束e 放电3 0 次，粗人的富s n 树枝状初品 细化成近球状结构，如图l 一2 所示。 陪li 2 脉冲i u 流对s n 1 0 p b 合金凝| l l l | 鲴织的影响叫 上海大学博士学位论文 2 ) 对较高熔点合金凝固组织的影响 近几年来，材料科学工作者将脉冲电流作用于凝固温度较高的纯a 1 及a 1 s i 、 a 1 c u 合金的凝固过程。王建中等【6 5 】将脉冲电流用于a 1 5 0 w t c u 合金的凝固过程， 在浇注前施加脉冲电流对液态金属进行电脉冲孕育处理。结果表明：凝固后的组织其 柱状晶区缩小，等轴晶区扩大，晶粒得到了细化。在对a 1 s i 合金的研究中发现 6 6 - 6 8 1 ， 较低的脉冲电压、较长的脉冲处理时间、合适的脉冲频率条件下易于出现钠变质的组 织倾向；较高的脉冲电压、较短的脉冲处理时间、合适的脉冲频率条件下易于出现类 似磷变质的组织倾向，脉冲电流孕育完全可以代替合金变质处理。但赵志龙等 6 9 - 7 1 】 研究四种铸造工艺条件下对z l l 0 2 铝硅合金砂型铸件凝固微观组织的影响。指出脉 冲电流对铝硅合金中的a 相细化效果显著，细化程度甚至优于a 1 5 t i 细化剂的细化 作用；脉冲电流可对共晶硅起到一定的变质作用，但是效果不如钠盐变质作用；脉冲 电流与硼砂变质剂复合作用可以使a t - a 1 由树枝晶变为球状晶。陈庆福 7 2 】用电脉冲孕 育处理c u a l n i 形状记忆合金获得几乎完全由等轴晶区构成的铸锭，集中缩孔大大减 小，合金的晶粒尺寸显著细化，合金的形状记忆效应得到明显提高。 訾炳涛等f 7 3 硎研究了高密度脉冲电流作用下l y l 2 铝合金的凝固组织。发现经脉 冲电流处理后可显著地细化其晶粒，向试样施加不同密度的脉冲电流( 放电电压o 7 k v ，电容器电容量为o 4 0 0 “f ) ，其电流密度愈大，凝固组织细化效果愈显著。 班春燕等【7 5 】研究了脉冲电流作用下纯a 1 及a 1 5 3 z n 合金的宏观凝固组织的变 化后得到结论：脉冲电流能够对纯a 1 及a 1 5 3 z n 合金中晶粒的形状和尺寸产生比 较显著的影响，与未施加脉冲电流相比，晶粒得到细化、等轴化。分析认为是脉冲电 流作用下金属液剧烈的强迫对流促进晶粒从型壁上游离，增加金属熔体的形核率，使 晶粒得到细化。他们又进一步研究了脉冲电流对l y l 2 铝合金微观结构和合金元素分 布的影响 7 6 , 7 7 ，发现施加脉冲电流使共晶合金在晶界和树枝晶网的偏聚大大减少，成 为近似球状的共晶质点弥散在晶内和晶界附近。另外，脉冲电流能有效地改善合金中 c u 和m g 的成分偏析。 何树先等 7 8 - 8 0 1 研究了不同脉冲放电开始时间和脉冲电压下a 3 5 6 铝合金的凝固组 织。结果表明：经过电脉冲处理后，a 3 5 6 的合金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 合金凝固过程施加高 密度脉冲电流f 8 l 】，采用电容器充电电压为15 0 0 v ，放电频率为1 h z ，瞬间脉冲电流密 上海大学博士学位论文 度达1 0 1 1 a m 2 ，放电次数4 0 次，直至凝固结束。结果表明，初生s i 相由长的杆条状 转变为块状，且晶粒长宽比减小。同样，傅明喜【8 2 】在研究脉冲电流对a l s i 合金凝固 组织缩孔的影响时发现块状初晶硅和细条板状共晶体都随脉冲电流增大而逐渐细化。 此后，在将脉冲电流施加于z a 2 7 锌合金凝固过程的实验中发现【8 3 】：一次枝晶最大长 度、二次枝晶间距和二次枝晶宽度随充电电容增加而减小，合金的凝固组织得到改善。 王志华等【矧利用三角波脉冲电流对亚共晶和近共晶a 1 s i 合金凝固进行处理，使粗大 的初生a - a l 枝晶明显细化，共晶硅层片间距显著减小、尺寸减小，且发现电流使a - a 1 初生相有取向性。 肖蕴华等【8 5 8 6 】在砂型铸造z a l 2 合金的凝固过程中施加强脉冲电流，发现枝晶尺 寸减小，近球状组织增多，试样的抗拉强度也有提高。仅在合金凝固的前半段进行处 理，合金凝固组织细化和力学性能改善效果不如对整个凝固过程处理时好。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间液体的流动，提高了枝晶间液 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，仅在前半期处理的试样由于没有后半期的作用，作用效果就没有这么明显， 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。 崔衡等 8 7 】应用脉冲电流对工业纯a l 进行了孕育处t 里( 7 3 0 c ) 。结果表明，该方法 可以细化纯铝的凝固组织，使粗大的柱状晶变为细小的等轴晶；但只有在合适的电流 处理参数下，才能得到细小均匀的等轴晶组织。 唐波等 8 8 1 研究了不同参数的脉冲电流对a 1 4 c u 合金铸造组织的细化作用，结 果表明：脉冲电流对该合金有明显的细化作用，电容的冲击频率和电路的自振荡频率 对细化效果起着关键性的作用。 3 ) 对高熔点合金凝固组织的影响 翟启杰 8 9 - 9 1 1 领导的课题组利用脉冲电流处理技术研究了铸铁和不锈钢凝固组织 的影响。研究发现，对灰铸铁h t l 5 0 的凝固全过程施加脉冲电流处理后，铸铁凝固 组织的石墨片形态由粗大长直转变为细小弯曲，且随脉冲电流密度和脉宽的增大，细 小弯曲的石墨片增多，如图1 3 所示。对奥氏体不锈钢1 c r l 8 n i 9 t i 的凝固过程施加 电脉冲处理后，其奥氏体一次枝晶长度缩短，二次枝晶间距减小。脉冲电流强度和脉 冲频率对脉冲处理效果的影响都很显著，在一定范围内，脉冲电流强度越高、脉冲频 率越高越有利于奥氏体不锈钢凝固组织的细化和改善。 王建中等 9 2 1 采用频率为1 h z 的电脉冲在连铸结晶器内对q 2 3 5 钢1 2 0 小方坯进行 上海大学博士学位论文 电脉冲孕育处理，连续处理5 分钟，连铸坯凝固组织细化了3 倍以上，并使柱状晶由 粗而长的形态变为细而短的短朴状组织。 幽1 3 脉冲电流对裘铸铁石墨化的影响旧1 唐勇等i 在1 5 6 0 c 对9 c r 2 m o v 钢液施咀电脉冲，脉冲发生频率为i h z ，发现柱 状品明显缩短，电脉冲碱缓了柱状品的生长趋势