电磁铸造中的磁场分布及其对熔体成型的作用

液态金属在电磁场、温度场、流场等三维场综合作用下受电磁力约束成形,电磁场的分布决定液柱形状及其稳定性.电磁场是决定电磁铸造成败的关键因素所在.本文通过深入的理论分析对电磁场的三维空间分布、变化特性及影响因素和由此引起成形力场与静压力场关系的改变,以及这种改变导致的液柱形态的变化规律等进行了系统的分析和归纳,基于目前研究现状展望今后的研究发展方向.     

快速凝固Al-Pb合金的显微组织

采用单辊旋铸法分别制备了Al-5%Pb, Al-8%Pb和Al-15%Pb三种合金条带, 并利用TEM分析其显微组织. 结果表明 在快速凝固下, Al-Pb合金中的第二相(f.c.c. Pb)在基体中分布均匀, Pb颗粒尺寸随Pb含量增加而增加, 随冷却速度的增大而减小, Pb颗粒的尺寸呈双峰或三峰分布特征. 此外, 还分析了快速凝固下偏晶合金的凝固过程, 对上述现象进行了解释.     

电磁复合场对Cu-Pb偏晶合金组织和性能的影响

制备了不同工艺条件下的Cu-37.4Pb偏晶合金,分析偏晶合金的组织结构和相组成,并研究了合金的摩擦磨损性能。结果表明,常规条件下制备的Cu-37.4Pb偏晶合金,主要由α-Cu、β-Pb以及偏析严重的Pb相组成,晶粒粗大,组织均匀性差;在强脉冲电流场下制备的偏晶合金,偏析严重的Pb相由块状变成较粗的短杆状且分布均匀。微重力电磁场制备的偏晶合金,块状的Pb变成稀疏分布的长条状,组织均匀性好,晶粒粗大。在强脉冲电流和微重力复合场下制备的偏晶合金的组织主要由α-Cu和β-Pb两相组成,晶粒呈等轴状,组织均匀性最好。摩擦磨损试验表明,复合场下制备的Cu-37.4Pb偏晶合金具有更小的摩擦因数和更低的磨损量,耐磨性能最好。     

铅白铜水平电磁连铸坯宏观组织及宏观偏析的研究

研究了水平电磁连铸铅白铜棒材在不同电流120～200A、不同频率10～50Hz时铸坯宏观组织的变化,并对其机理进行探讨。而且将未加磁场时的铸锭与水平电磁连铸生产的铸锭进行了比较。结果表明,在电磁场的搅拌作用下,铅白铜合金棒材的凝固组织发生了很大的变化,表现在铸坯组织的细化和等轴晶范围与比率的上升,同时抑制了合金元素Pb的宏观偏析;搅拌后宏观组织主要由等轴晶组成,最后凝固区由靠近上表面(中心线上方11.5cm处)下移到铸锭几何中心位置。最终:电磁场频率为25～30Hz搅拌效果略好,电磁场强度在160A效果最好。     

圆坯连铸结晶器电磁搅拌电磁场、流场的数值模拟

对圆坯连铸结晶器电磁搅拌电磁场及流场进行了数值模拟.分析了不同搅拌频率对结晶器内电磁场及流场分布的影响,得出了电磁场及流场特性与搅拌频率的关系.研究表明搅拌频率的变化对电磁场及流场的影响比较大,采用合适的电磁搅拌频率可以在连铸坯内获得较大的电磁搅拌强度.     

电磁场对3003铝合金铸轧板材组织的影响

在传统铸轧过程中施加电磁场生产3003铝合金板材,对比分析传统铸轧板材与施加电磁场条件下铸轧板材的显微组织.结果 表明:在铸轧过程中施加电磁场可以有效地改善显微组织,破碎枝晶、细化晶粒;电磁场能抑制自然对流,加速溶质扩散,减少偏析;同时发现,电磁场使铁相粒子聚集,在铸轧板材一定区域形成宏观偏析带.     

电阻点焊电磁环境的仿真

针对电阻点焊焊接过程电磁环境,提出以数值计算方法为基础的电磁环境仿真方法.根据点焊过程电磁场的特点以及电磁场曝露安全评估方法,选择适当的建模方案,利用ANSYS电磁场分析软件对点焊机电极周围磁场分布进行了仿真,得到电极周围磁场的场强值和频谱特性.为了验证数值仿真的准确性,利用低频电磁场测量装置对焊机周围磁场的综合场强值进行测量,在特定场合下测量结果和仿真结果基本一致;测量得到的磁场频谱信息和仿真得到的信息具有较大的可比性.研究表明.焊接电磁环境的数值模拟可以定量描述焊接电磁环境,对实际应用具有指导意义.     

电磁参数对7050铝合金凝固组织及元素分布的影响

研究了在不同磁场频率及电磁线圈甩数条件下结晶器内磁场的分布规律,并进行了静态浇注试验,考察了电磁场对7050铝合金凝固组织及溶质元素分布的影响.结果表明,电磁场能显著细化晶粒,使晶粒尺寸从未施加磁场时的171μm,细化到128μm;并有效地抑制了7050铝合金的反偏析问题.探讨了电磁场的作用机理.     

焊接电磁环境特点及其评估

就当前焊接电磁环境的特点进行了分析,并基于这种分析给出了研究焊接电磁场的方法,介绍了当前国内外一些研究机构对焊接电磁场的一些共识.     

微钙合金化和电磁场对AZ31镁合金复合作用的研究

对变形AZ31镁合金在连铸过程中有、无施加电磁场和微钙合金化进行试验研究,并对铸锭的表观质量、微观组织和力学性能进行对比分析.结果表明:微钙合金化和电磁场复合作用能连续铸造出表面光滑、无氧化夹杂和偏析瘤的高质量铸锭,合金的微观组织得到改善,合金的晶粒在铸锭内外一致,析出相呈圆点状或近圆点状弥散分布于基体.微钙合金化和电磁场复合作用对合金抗拉强度的提高近15%,对合金延伸率的改善更加有效,相对于普通连铸的AZ31镁合金,在微钙合金化和电磁场复合作用下AZ31镁合金的延伸率提高近90%.     

电磁场对高锂含量铝锂合金锂元素偏析的影响

采用XPS测试方法,研究了电磁场模拟微重力环境下高锂含量Al-5%Li合金锂在凝固组织中的分布情况.通过与未施加电磁场的试验样品中锂在合金组织中分布的比较,结果表明:在电磁场模拟微重力的环境下,施加的电磁力可有效的抑制高锂含量导致的锂在凝固组织中所产生的偏析.     

基于人工神经网络的凝固组织晶粒尺寸预测

通过分析强脉冲电磁场作用下铝合金凝固组织晶粒尺寸实验数据,并结合人工神经网络,建立了强脉冲电磁场作用下铝合金凝固组织晶粒尺寸的人工神经网络BP算法模型。研究结果表明,用该神经网络模型进行了模拟得到的计算结果和实验数据吻合得较好,因此这一方法可用来对强脉冲电磁场作用下的凝固组织晶粒尺寸进行预测和控制,为优化实验设计提供了简便、实用的方法和手段。     

纳米Pb薄膜的形态不稳定性研究

利用透射电子显微镜对纳米Pb/Al膜在电子束辐照下的形态变化进行了研究。结果表明，纳米Pb膜的形态不稳定或形态变化以Pb薄膜的球化和Pb颗粒的团聚长大为特征，从热力学角度对纳米Pb膜球化的条件进行了分析，认为球化与界面状态或界面能大小密切相关。     

电磁场对TiAl合金试样表面粗糙度的影响

研究了电磁场作用下,氧化物陶瓷铸型的种类、粒度和保温功率对Ti50Al合金试样表面粗糙度的影响规律,分析了电磁场作用下表面粗糙度的形成机理.结果表明,在电磁场作用下,在5种氧化物陶瓷材料中所得Ti50Al合金试样的表面粗糙度大小依次为,Ra(Y2O3)＜Ra[ZrO2(Y2O3)]＜Ra[ZrO2(CaO)]＜Ra(CaO)＜Ra(Al2O3);Ti50Al合金试样的表面粗糙度随着耐火材料粒度和保温功率的减小而降低.     

磁场频率对软接触结晶器内磁感应强度分布的影响

采用ANSYS有限元软件对软接触电磁连铸结晶器内电磁场进行了三维数值模拟,分析了高频磁场频率在5～40 kHz变化对结晶器内磁感应强度分布的影响.结果表明,适当提高电磁场频率,可以提高结晶器内钢液的磁感应强度,但当频率高于20 kHz后,频率提高,磁感应强度提高不大;高频磁场频率变化对铸坯表面磁感应强度沿高度方向上的最大值所在位置影响不大,均出现在钢液面下5～6 mm处,但电磁场频率升高会使磁感应强度沿结晶器周向上的不均匀性增加,高频磁场频率以20 kHz为宜.     

铝合金凝固过程枝晶破碎现象的定量化研究

利用X射线同步辐射影像技术对Al-15%Cu(质量分数)合金凝固过程的枝晶生长和破碎现象进行了实时观察.通过加入脉冲电磁场和改变枝晶生长方向获得了大量不同实验条件下的动态影像.利用Matlab软件对实验结果进行定量化分析,开发了统计测量程序,统计了枝晶破碎数量随不同实验条件的变化,测量了枝晶破碎数量沿糊状区深度、糊状区固相率的分布关系.结果表明,加入电磁场、逆重力方向生长和生长速度快的枝晶会产生更多的枝晶破碎;枝晶破碎数量沿着糊状区深度、糊状区固相率呈一定的Gauss分布,且在固相率为0.45左右达到峰值.最后分析了速度场造成的缩颈断裂、重力场造成的溶质富积以及电磁场造成的晶间对流对上述定量化结果的影响程度.     

低频电磁铸造铝合金结晶器材料对磁场的影响

低频电磁场作用下铸造铝合金过程中,优化的结晶器应该在电源频率相同、较低的电流下在铝熔体内部能够获得所需要的磁场强度.结合生产实际情况,设计出工业上实用的低频电磁铸造铝合金结晶器.在结晶器外套材料的不同情况下,对低频电磁铸造铝合金过程的电磁场进行了三维有限元数值模拟.模拟结果表明,当结晶器外套为软磁材料时,铝熔体内部磁场强度得到明显加强.     

自由落体条件下三元Ni-Pb-Cu偏晶合金的快速凝固

在自由落体条件下研究三元Ni62Pb30Cu8偏晶合金的相分离与快速凝固.XRD分析结果表明;凝固组织由固溶体(Ni)和(Pb)两相构成;随液滴直径减小,三元Ni62Pb30Cu8偏晶合金从壳核组织演变为(Pb)相颗粒分布在 (Ni)枝晶间的组织;在形成的壳核组织中,表面张力较小的(Pb)相始终占据最外层,有利于降低表面相和体系总吉布斯自由能.能谱测定发现,在固溶体(Ni)和(Pb)相中,溶质截留效应十分显著.采用传热模型计算了不同直径液滴的冷却速率与过冷度,二者均随液滴直径的增大而减小.理论分析了合金液滴的内部温度梯度与第二相L(Pb)液滴的Maragoni迁移,发现第二相L(Pb)液滴充分实现二次相分离.在自由落体条件下,合金液滴的最终凝固组织由冷却速率、表面偏析、Marangoni迁移和(Ni)枝晶生长共同决定.     

电磁场频率对4045合金CREM 铸锭微观组织的影响

采用CREM铸造工艺制备4045铝合金铸锭,在10 Hz～50 Hz范围内调整交变电流的频率,间隔为5 Hz,通过光学显微镜观察电磁场频率对4045铝合金微观组织的影响.结果表明,电磁场频率时晶粒的细化有重要影响,在电磁场作用下,晶粒发生细化,晶粒尺寸趋向均匀,但是在不同电磁场频率的条件下得到了不同的细化组织,只有适当的电磁场频率才能得到最佳的细化效果,当频率为20 Hz时,合金铸锭的微观组织为最佳,等轴晶数目最多,晶粒尺寸和分布均匀.     

外加磁场对镁合金焊接熔池形态的影响

以镁合金焊接熔池为研究对象,建立了移动热源作用下焊接熔池的三维数学模型. 利用大型通用有限元软件ANSYS将电磁场分析结果导入到热流场分析中,实现电磁场和热流场之间的耦合分析. 模拟了无外加磁场作用下以及外加磁场作用下镁合金焊接熔池的温度场分布和流体流动的速度矢量分布. 结果表明,外加磁场产生的电磁力驱动熔池中熔融的液态金属发生旋转运动,改变了液态金属原有的运动方式和传热方式,流体流动速度和流动范围增加,焊缝熔宽增大,熔深减小. 试验结果验证了模拟结果的可靠性.