电磁振荡下薄带坯水平连铸的凝固组织

主要研究了静磁场和交流电复合产生的电磁振荡在薄带坯水平连铸上的应用.以纯Sn与Sn-10Pb合金为对象,通过热态物理模拟试验,研究金属薄带坯水平连铸的凝固组织,及其与电磁振荡强度的相互关系.结果显示,在电磁振荡作用下,纯Sn的凝固组织明显细化,并且细化效果随所施加电流的增大而增强;Sn-10Pb合金的凝固组织显示,在凝固前沿施加电磁振荡作用将显著地促进等轴晶组织的形成,使薄带坯中心出现等轴晶区,而且该等轴晶区随电磁振荡的强度增大而扩大.在低强度电磁振荡条件下,凝固组织细化和等轴晶化的原因是:电磁振荡力对金属初生晶的周期性拉伸、压缩、剪切、折弯、扭转等机械作用,使其出现断裂和剥落,增加形核数量;电磁振荡的局部搅拌作用使固/液界面前沿的温度和成分趋于均匀化,导致梯度降低,抑制了柱状晶的生长.     

行波磁场作用下空心管坯的两相凝固数值模拟

利用等轴球晶两相凝固模型计算了行波磁场作用下空心管坯的凝固过程.分析了施加不同强度的行波磁场时,Sn-3.5%Pb管坯凝固过程的温度梯度、冷却速率、溶质浓度分布以及晶粒大小的变化情况.结果表明:金属液在行波磁场的作用下产生纵截面上的大环流,随着搅拌速度的加大,金属液凝固过程的冷却速率逐渐降低,熔体内的温度梯度减小,使管坯内部的晶粒得到细化,改善了铸坯凝固组织,但是强制流动导致管坯内产生宏观偏析,且搅拌速度越大,宏观偏析越明显,因此,在生产过程中应该严格控制搅拌速度的大小.     

静磁场下热电磁效应及其对凝固组织的影响

由于塞贝克效应,当施加一个温度梯度时,在凝固界面将会产生一个热电流。在磁场下定向凝固过程中热电流和静磁场相互作用将会产生一个显著的热电磁力。此磁力将会诱发各种现象,比如液体搅拌、固相运动以及固相受力。由于在金属的凝固过程中常常存在温度梯度,这些效应将会普遍存在。在较小和适度的磁场下热电磁力将促进液体的流动,在较强的磁场下其将抑制液体的流动。另外,热电磁流有多尺度效应,即尺度越小,抑制液体流动所需的磁场越高。至今,已经完成了大量涉及多种合金的实验,所有的实验结果均表明在凝固前沿和糊状区均存在热电磁流。热电磁流动显著地影响凝固过程中微观和宏观偏析、凝固组织以及糊状区晶界结构。热电磁流动的方向以及相应的偏析可以通过改变磁场的方向而被控制。另一方面,作用于固相的热电磁力也将显著地影响固相凝固组织,表现为固相所受的热电磁力导致枝晶的断裂、枝晶碎片的运动和柱状晶-等轴晶转变等。近年来,同步辐射X射线成像技术被应用于实时观测在横向磁场下定向凝固过程中枝晶的生长行为,观察在磁场下枝晶发生断裂和枝晶碎片沿一定方向运动的行为,这进一步证实了磁场下热电磁效应在凝固过程中显著地影响凝固组织。     

基于单点熔覆的TC4合金激光沉积成形试验

为了研究激光沉积成形对TC4钛合金组织和质量的影响,进行了基于单点熔覆沉积成形熔池凝固试验。对激光熔池的形貌和微观组织进行了研究,并对微观组织进行了成分偏析和显微硬度的检测。结果表明,熔凝组织呈典型的快速凝固现象,不存在微观组织元素偏析,晶粒主要由柱状晶组成,随功率增大,有向等轴晶转化趋势;较高的激光功率或较长扫描时间是形成良好成形组织的基础,晶粒生长大小受温度影响较大,生长方向则由温度梯度影响;熔凝组织硬度高于基体,而随功率或扫描时间增加,熔凝组织硬度减小。     

纵向磁场对Co-8.8Al-9.8W-2Ta钴基高温合金定向凝固组织的影响

对Co-8.8Al-9.8W-2Ta钴基高温合金进行了外加纵向静磁场中定向凝固试验。考察了磁场强度对Co-8.8Al-9.8W-2Ta合金凝固组织一次枝晶间距的影响。结果显示,在合金熔体固-液界面前沿的温度梯度为50 K/cm时,在磁场中定向凝固的Co-8.8Al-9.8W-2Ta合金的一次枝晶间距先增大再减小。这种现象是由于在合金溶体固-液界面前沿由磁场诱发的热电磁对流(TEMC)所致。     

电磁自约束定向生长条件下影响温度场的若干因素

探讨了电磁自约束定向生长条件下，温度分布对抽拉速度的响应，以及电磁搅拌引起的对流对温度分布以及固／液界面上温度梯度ＧＬ的作用。检测了液柱头高度，固／液界面位置对温度场以及温度梯度ＧＬ的影响。结果提供了几种增高温度梯度ＧＬ的有效途径     

纵向磁场对不同尺寸定向凝固高温合金DZ417G组织的影响

进行了外加纵向静磁场下高温合金DZ417G的定向凝固实验,考察了纵向磁场对不同尺寸试样凝固组织形貌的影响.结果显示,在温度悌度为70℃/cm,抽拉速率为5μm/s时,施加磁场后一次枝晶间距减小,并在试样边缘出现等轴晶组织;随着试样尺寸的增大,在试样边缘和中心的柱状枝晶组织遭到破坏,形成等轴晶组织,且出现"斑状"偏析.这些现象可归结为磁场在固/液界面前沿合金熔体中诱发的热电磁对流(TEMC)所致.     

PMO对连铸GCr15轴承钢枝晶生长的影响

通过对PMO处理的连铸GCr15轴承钢固/液界面枝晶形貌和微观偏析的观测,探究了施加PMO对铸坯固/液界面前沿枝晶生长的影响。结果表明:PMO作用于固/液界面处,使枝晶间碳富集程度降低,初生相的面积占比增大,一次枝晶间距减小,二次枝晶臂间距增大,且二次臂细长致密,局部枝晶非对称生长。结合PMO的电磁热力效应分析认为,枝晶生长前沿的温度场和溶质场在PMO作用下出现扰动,固/液界面前沿溶质富集减轻,成分过冷度增大,促进枝晶臂生长,导致初生相占比增大;强制对流使液相温度分布均匀,固/液界面处温度梯度增大,故一次枝晶间距减小;由于垂直于拉坯方向的液相温度梯度减小及微区的磁致振荡效应,柱状枝晶的生长方向发生改变,干扰了枝晶间富集溶质的扩散,进而造成了枝晶的非对称生长。     

高强铝铜合金MIG焊焊缝组织细化研究

研究了复合脉冲、电磁搅拌对高强Al-Cu合金MIG焊焊缝组织及性能的影响.结果表明:电磁搅拌降低了固一液界面前沿液相的温度梯度,增加了非均质形核率,促使粗大、方向性很强的柱状晶转变为细小的等轴晶,显著提高了焊接接头强度和塑性;复合脉冲焊接时,峰值电流周期性变化引起的熔池液体的搅拌作用较弱,降低了焊缝组织细化效果.     

真空自耗电弧熔炼过程中搅拌线圈参数对TC17铸锭成分和组织影响的数值模拟与实验验证

采用MeltFlow VAR软件建立了真空自耗电弧熔炼（VAR）过程中温度、电磁、流动和溶质场的耦合模型,通过数值模拟与实验验证的方法研究了搅拌电流和周期对TC17钛合金铸锭成分和组织的影响规律。结果表明,铸锭中心的Cr元素浓度从底部逐渐升高,在铸锭头部100 mm范围内出现激增,与铸锭边缘和1/2半径处表现出不同的趋势。施加搅拌磁场,有利于铸锭心部Cr元素的降低和1/2直径处等轴晶区域宽度的减小。增加搅拌线圈电流或延长搅拌磁场的周期,可以降低铸锭心部Cr元素含量并减小1/2直径处等轴晶区域宽度。这主要是因为搅拌磁场引起的角速度,加剧了熔池内湍流的速度。采用工程化规格的TC17铸锭实物解剖可知,铸锭下部柱状晶生长方向发生扰动的位置与Cr含量上升的位置相对应,均与该位置搅拌磁场的作用相关。数值模拟结果与实验数据吻合较好。     

Refinement mechanism of low voltage pulsed magnetic field on solidification structure of silicon steel

The grain refinement of a silicon steel solidified with a low voltage pulsed magnetic field (LVPMF) was investigated by experiments and modeling. The experiment results show that complete fine equiaxed grains are acquired by applying the LVPMF. The effects of process parameters, such as the melt cooling rate and superheating on the solidification structure, were also studied. Complete fine equiaxed grains can be obtained under a larger range of cooling rate or superheating when the LVPMF is applied. The magnetic force and the melt flow during solidification were modeled and simulated to reveal the grain refinement mechanism. The simulation results show that the LVPMF has a double role in electromagnetic convection and electromagnetic vibration on the alloy melt. We propose the refining mechanism: The melt vibration and convection can promote nucleus multiplication, which contributes to heterogeneous nucleation enhancement and leads to a high nucleation rate and grain refinement.     

脉冲磁致振荡下纯铝凝固磁场与流场分布的数值模拟

脉冲磁致振荡可以细化金属晶粒,为了研究其作用机理,采用ANSYS有限元模拟软件对脉冲磁致振荡下纯铝凝固磁场与流场分布进行了数值模拟.模拟结果显示,由于电磁趋肤效应,线圈中脉冲电流只在熔体表面感应产生电磁力,且随时间出现指向内部的压力与指向外部的拉力交替变化,沿径向有指向熔体顶部与底部交替变化.交变电磁力可以振荡熔体表面率先析出的晶核而使之游离,增大熔体形核率.同时感应电磁力迫使熔体产生流动,会利于晶核的均匀分布与温度场、浓度场的均匀化.     

Simulation of the Influence of Pulsed Magnetic Field on the Superalloy Melt with the Solid-Liquid Interface in Directional Solidification

The effect of the pulsed magnetic field on the grain refinement of superalloy K4169 has been studied in directional solidification. In the presence of the solid-liquid interface condition, the distributions of the electromagnetic force, flow field, temperature field, and Joule heat in front of the solid-liquid interface in directional solidification with the pulsed magnetic field are simulated. The calculation results show that the largest electromagnetic force in the melt appears near the solid-liquid interface, and the electromagnetic force is distributed in a gradient. There are intensive electromagnetic vibrations in front of the solid-liquid interface. The forced melt convection is mainly concentrated in front of the solid-liquid interface, accompanied by a larger flow velocity. The simulation results indicate that the grain refinement is attributed to that the electromagnetic vibration and forced convection increase the nucleation rate and the probability of dendrite fragments survival, for making dendrite easily fragmented, homogenizing the melt temperature, and increasing the undercooling in front of the solid-liquid interface.     

连铸空心管坯内置行波磁场对凝固组织的影响

利用低熔点Sn-3．5％Pb合金进行了空心管坯内置行波磁场的静态模拟实验研究。结果表明：管坯内置行波磁场可以引起金属熔体内部纵截面上的大环流，减小了熔体凝固前沿的温度梯度，降低了金属熔体的冷却速率，抑制了熔体的枝晶生长，从而促进了晶粒的球化，改善了管坯的凝固组织。     

磁场类型对金属凝固机理的影响研究综述*

利用磁场辅助制备的合金综合性能优异,广泛应用在工业生产、交通运输、航空航天等领域。不同磁场参数环境下合金硬度、耐磨性等服役性能有所差异,作用机理复杂多变。对新工艺驱动下不同磁场对金属凝固过程的作用规律进行总结, 弥补目前磁场辅助金属表面加工方法的研究短板,对金属表面工程发展有重大意义。归纳科研人员在不同磁场环境对金属表面加工的研究探索,分析对比金属材料在不同类型磁场环境下的晶核形核和生长过程差异,总结金属凝固过程在不同磁场下的变化规律,如晶界形貌改善、形核率提高、晶粒细化等。从晶粒微观形貌和合金宏观性能表现两方面出发,分析磁场作用下熔体内部传热传质变化,揭示稳恒磁场、脉冲磁场和交变磁场对金属凝固影响的作用机理,讨论不同参数的磁场对熔体作用效果差异,如磁场对熔池内部流动扰动、熔体内带电粒子受到的洛伦兹力等。综上,晶粒细化、合金性能提高是磁场作用下熔池传热传质变化和磁场作用力的综合体现。综合研究对比稳恒磁场、脉冲磁场和交变磁场对金属凝固的作用特点和作用机理,综述金属凝固领域当前热点问题,有助于统一磁场环境下金属凝固机理的争论,填补磁场环境下金属表面加工工艺的空白,对推进高性能金属表面制备研究有借鉴意义。     

Effect of excitation current intensity on mechanical properties of ZL205A castings solidified under a traveling magnetic field

The effect of excitation current intensity on the mechanical properties of ZL205 A castings solidified under a traveling magnetic field was studied. The results of the experiment indicate that the excitation current intensity of the traveling magnetic field has a great influence on the mechanical properties of the ZL205 A castings. When the excitation current intensity is 15 A, the tensile strength and elongation of ZL205 A alloy castings increase 27.2% and 67.7%, respectively, compared with those of the same alloy solidified under gravity. The improvement of mechanical properties is attributed to the decrease of micro-porosity in the alloy. Under the traveling magnetic field, the feeding pressure in the alloy melt before solidification can be enhanced due to the electromagnetic force. Moreover, the melt flow induced by the traveling magnetic field can decrease the temperature gradient. The feeding resistance will be increased because the temperature gradient decrease. So traveling magnetic field has an optimum effect on feeding.     

5056铝合金稳恒磁控激光深熔焊接过程熔池流动与传热行为分析

针对外加稳恒磁场条件下6 mm厚度5056铝合金激光深熔焊接过程,建立了热场—流场—电磁场耦合熔池瞬态动力学数值模型,求解了特定时刻温度场、速度场与电磁场分布,建立了熔池沿不同方向的Peclet数模型,分析了不同磁场感应强度对熔池流动与传热行为的影响. 结果表明,稳恒磁场条件下熔池中产生显著的哈特曼效应,表现为液态金属Marangoni对流减弱,流速降低,热对流机制对熔池形貌的贡献减弱,使得熔池沿焊接方向长度明显收缩,固—液界面曲率减小;同时,磁控熔池表面及内部出现热迟滞效应,表现为液相峰值温度升高,温度梯度增大,热扩散速率提高,熔池的局部尺寸得以增大. 铝合金磁控激光深熔焊过程焊缝形貌的变化是哈特曼效应与热迟滞效应共同作用的结果.     

超声及电磁场对铝合金熔体影响的数值模拟及试验研究

针对铝合金熔体的超声及电磁搅拌处理过程,创建了超声场、电磁场、流场和温度场的数学模型,并采用COMSOL Multiphysics软件求解模型,得到了超声场、电磁场和超声/电磁复合场对铝合金熔体内流场和温度场的分布规律,并通过试验对模拟结果进行了验证。结果表明,增加超声功率使得声压幅值和流场的流动速率均随之增加,同时会使熔体的温度梯度逐渐减小;施加电磁场后产生的电磁搅拌改变了熔体的流动方向且使熔体的流动速率显著增大,这对熔体的温度分布产生了较大影响;在超声和电磁复合场下,电磁场比超声场对熔体流场和温度场的影响更大,且占主导地位。数值模拟结果和试验结果符合较好。     

Improving the Solidified Structure by Optimization of Coil Configuration in Pulsed Magneto-Oscillation

Using both numerical and experimental methods, we studied the effect of coil configuration of pulsed magneto-oscillation (PMO) on distribution of electromagnetic field, flow field and solidification structure with the same pulse current parameters in Al ingots. We designed and constructed three types of coils: surface pulsed magneto-oscillation, hot-top pulsed magneto-oscillation (HPMO) and combined pulsed magneto-oscillation (CPMO). PMO treatment refined the solidification structure in all the ingots. The configuration of the PMO, however, introduced differences in magnetic field intensity, electromagnetic force, Joule heat, flow field, equiaxed grain zone, grain size and growth direction of columnar grains. The largest equiaxed grain zone was found in CPMO treated ingot, and the smallest grain size was found in both HPMO and CPMO treated ingots. Numerical simulation indicated that difference in electromagnetic field and flow field resulted in differences in solidification structure. HPMO is more advantageous over others for large ingot production.     

IN718合金增材制造温度场仿真及微观组织分析

针对微观组织的调控相关问题,构建了IN718材料激光选区熔化(selective laser melting,SLM)温度场仿真的三维有限元模型,研究了激光功率和扫描速度对熔池温度场和凝固机理的影响,进而预测增材制造材料的微观组织,为微观组织的调控提供理论依据.首先分析了激光功率和扫描速度对熔池尺寸的影响,分析了不同工...