磁场在材料凝固技术中的应用研究现状

介绍了磁场分类及其在材料凝固技术中的应用研究现状。磁场可分为稳态磁场和非稳态磁场,其中稳态磁场又可分为尖角磁场(CMF)、垂直磁场(VMF)、水平磁场(HMF);非稳态磁场可分为旋转磁场(RMF)、行波磁场(TMF)、脉动、脉冲、交变磁场(AMF、PMF)和复合电场磁场(EMF),同时具体阐述了每种磁场的机理及其在材料凝固技术中的应用情况。最后对未来的电磁凝固技术进行了展望。     

电磁冶金技术研究新进展

电磁冶金技术是高品质钢生产的必备手段。本文综述了近年来电磁冶金技术的发展,围绕连铸的全流程,包括中间包电磁净化钢液、水口控流、结晶器内电磁搅拌和电磁制动等磁场控制流场、电磁软接触结晶器连铸、电磁场调控凝固组织、电磁场下固态相变及组织控制在内各方面,阐述了电磁场作用的机理,分析了应用电磁场技术的原理和特点,在电磁场控制流场领域提出了多模式定制磁场的概念,以满足高品质钢连铸中复杂状态的要求。在静磁场控制凝固组织领域提出应用强磁场热电磁力的新原理,并指出电磁冶金技术的发展需结合大数据的人工智能以更好发挥作用。     

定向凝固中行波磁场和高频交流磁场的复合磁场模拟计算

利用ANSYS平台的开发环境,在ANSYS自有的APDL参数化功能和电磁场理论知识的基础上,结合定向凝固过程中的复合电磁场特点,提出了求解频率相差多个数量级的复合电磁场的方法,以及后处理中求复合电磁场平均值的方法,实现了复合电磁场的模拟计算。后处理结果分析表明,复合电磁场的磁通密度为单一行波磁场的磁通密度与单一高频交变磁场的磁通密度的矢量和,复合磁场产生的洛伦兹力要远大于各种频率的单频率场的线性叠加。     

耐火材料条件下电磁场对铝硅合金凝固组织的影响

以硅酸盐耐火材料作浇注模型,分别在磁场、电场、电磁场条件下,采用底注式浇注方式浇注ZL114合金(浇注温度为710℃),研究上述场及场强对合金凝固组织的影响.结果表明,电场、磁场、电磁场对铸件凝固组织均有影响,其中大磁场、小电场可以达到细化组织的效果;在电磁场下,当磁场一定时,电场电流越小,其组织越均匀.     

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。     

磁场在材料制备中的应用

总结近几年来国内外有关磁场在材料制备中的应用现状。分别讨论和分析了稳恒磁场、旋转磁场、交变磁场、脉冲磁场和强磁场在金属凝固过程中对金属凝固组织的影响。由于稳恒磁场、旋转磁场、交变磁场、脉冲磁场和强磁场在金属凝固过程中改善凝固组织的机理各不相同,在电磁学、流体力学和金属凝固原理的理论基础上,对磁场影响金属凝固组织的主要机理分别进行了讨论。另外,根据磁场发展技术的局限性对磁场在凝固过程中的应用和进一步研究进行了展望。     

液态金属电磁离心凝固的力场分析

运用磁流体动力学原理，对在稳恒磁场中高速旋转的液态金属凝固时的受力状态进行了理论解析，结果表明在电场力场，离心力场和重力场共同作用下，旋转液态金属中受到大小周期变化的径向压力和切向分力，后者起电磁搅拌作用，是细化电磁离心凝固组织的根本原因。     

TiAl基合金冷坩埚定向凝固研究现状与发展趋势

冷坩埚定向凝固技术基于材料电磁加工原理,将合金连续熔化、电磁约束成形和连续凝固过程统一,避免模壳法定向凝固造成的合金熔体污染,是TiAl等高活性合金高纯净定向凝固的重要方法之一。报告了TiAl基合金冷坩埚定向凝固技术的研究结果,建立了电磁场、温度场与电磁冷坩埚系统主要参数之间的规律性关系。通过改变冷坩埚的横截面形状,初步制备出具有定向凝固组织的TiAl基合金圆、方和扁锭,研究结果表明该方法不但适合于Ti—Al二元合金,而且施与多元多相TiAl基合金也是可行的。通过对成分和组织的控制,所研究的TiAl基合金定向凝固试样的室温拉伸塑性最高达到1．5％左右。最后指出将该方法应用于耐高温的轻质高Nh含量的γ-TiAlNb合金的定向凝固是未来的发展趋势。     

电磁场辅助激光熔覆技术的研究进展

激光熔覆技术在装备制造、石油化工等领域有着广泛应用,但熔覆层裂纹、气孔和夹杂、溶质元素分布不均匀及表面起伏等问题严重制约了其应用。因而,提高熔覆层质量,特别是减少高硬材料熔覆层裂纹,对发展激光增材制造和再制造技术具有重要意义。电磁场辅助激光熔覆技术具有组合形式多样、工艺可控性强、作用效果显著等特点,通过在激光熔覆过程中施加电磁场,利用电磁力对熔池的搅拌作用改变传质传热过程,可以实现提高熔覆层质量、细化微观组织、改善性能的目的。在介绍电磁场辅助激光熔覆技术的应用背景及技术特点的基础上,系统总结了国内外关于电磁场辅助激光熔覆技术相关研究的最新进展。梳理概括了电磁场对激光熔覆过程的影响机制,讨论了电磁场对熔体运动行为和凝固过程的影响机理。电磁场对熔体运动行为的影响主要体现在电磁搅拌效应、电磁制动效应、热电磁流体效应、电迁移效应、趋肤效应等方面;对熔体凝固过程的影响主要体现在晶粒破碎作用、原子团起伏效应、焦耳热效应等方面。同时,详细分析了不同电磁场形式(单一磁场、单一电场及电磁复合场)对激光熔覆涂层组织和性能的影响,并对比分析了不同电磁场形式的优缺点和差异性。归纳了现阶段应用于电磁场辅助激光熔覆的涂层材料体系,包括铁基涂层、镍基涂层、钴基涂层及复合涂层,重点讨论了电磁场对各类涂层组织成分均匀化和析出相及强化相分布规律影响的内在机理。同时结合电–磁–超声多场耦合辅助激光熔覆技术的最新成果,阐述了电磁场和超声场的耦合作用对激光熔覆涂层的影响。最后对现阶段电磁场辅助激光熔覆技术存在的问题及未来发展方向进行了展望。     

直流电磁场对Al-7%Si亚共晶合金组织结构的影响

研究在直流电磁场下凝固的Al-7%Si合金晶内Si元素含量及凝固组织的变化.结果表明,与未施加磁场的试样相比,整个凝固过程或凝固后期施加直流电磁场,Al-7%Si合金晶内Si含量增加,在整个凝固过程都施加直流电磁场,初生α-Al枝晶较长,随着开始施加直流电磁场的温度降低,初生α-Al枝晶越来越短.     

任意波形脉冲磁场下电磁力计算模型研究

为了建立一个描述任意脉冲磁场下电磁力特性的数学模型,利用数学解析法推导建立任意波形周期脉冲电磁力的模型和理论解。利用此模型考察了三角脉冲磁场下电磁场和电磁力周期变化规律、脉冲频率、占空比和静磁场对电磁力的影响。结果表明:任意波形周期脉冲磁场可通过时谐场叠加得到,各个时谐场的频率为基频的整数倍。三角脉冲电磁力方向呈现交替变化,并且其电磁压力绝对值大于电磁拉力。在脉冲磁场某时间段内,介质内部同时存在电磁拉力和电磁压力。随着脉冲频率增大或占空比减小,电磁压力与电磁拉力都增大,但是电磁压力增幅远大于电磁拉力。随着静磁场感应强度增大,脉冲电磁力增大同时作用深度也增加。枝晶破碎是脉冲磁场细化晶粒组织的机理之一,枝晶在交替变化的脉冲电磁力作用下,可视作产生疲劳损伤,因此脉冲磁场电磁力特性能够增加枝晶破碎的几率。一方面可以通过设计调整脉冲频率、占空比和静磁场获得满足细化凝固晶粒组织所需电磁力;另一方面当脉冲电磁力足以使枝晶破碎时,降低脉冲频率或增大占空比,以便脉冲电磁力作用深度大,从而使凝固细化作用效果更佳。     

铝硅合金软接触电磁铸造成型中耦合场计算研究

从电磁场的基本原理出发,利用ANSYS有限元软件建立铝硅合金半固态电磁铸造的磁流耦合场模型,通过数值模拟计算磁场对流场和温度场的影响。结果表明,电磁场频率直接决定流场及温度场的分布,高频电磁场感应加热效果明显、洛伦兹力主要表现为电磁压力,有利于电磁铸造约束成型。     

磁声波对金属凝固组织的影响

提出了运用强磁场和交流电流的共同作用直接在金属液中产生声波（磁声波）的新方法，并研究了所生成的磁声波在细化合金凝固组织晶粒的效果，该方法可以从根本上解决机械声波无法在高温生产领域应用的难题，理论解析表明，运用交变电磁力在液体金属内生成的磁声波的强度和所施加的静磁场的磁感应强度和交流电流的电流密度的乘积成正比；电磁力的频率越大，生成的磁声波越接近于由机械振动产生的声波，实验中测定的磁声波压力和理论解析结果基本一致，这种方法产生的磁声波具有促进金属凝固组织晶粒细化的作用。     

基于磁控形状记忆合金的伺服阀驱动器

磁控形状记忆合金(MSMA)是一种新型的具有形状记忆功能的功能材料。用这种材料制成的驱动器具有响应频响高、驱动力大、可控位移大等特点,特别适合于制造高精度大位移运动与位置控制驱动器。根据MSMA以上优点,研究基于MSMA的先导式伺服阀驱动器,设计出一种新型的驱动器结构:用弹簧恢复MSMA形变,直流绕组产生偏磁磁场,励磁绕组提供可控磁场。通过已有数据分析了材料静态特性,用MATLAB软件进行数据分析并且仿真,得到材料的驱动力及位移与时间的关系,验证了结构设计的合理性。     

电磁连铸复合结晶器内钢液流场的数值模拟

采用数值模拟方法分析了电磁连铸复合式结晶器内的流场。对静磁场磁感应强度不同时组合磁场下的流场进行了比较,在此基础上,分析了电磁连铸复合式结晶器的工作原理。分析结果表明：电磁连铸复合式结晶器不仅具有电磁制动和软接触两种功能,而且能够控制弯月面区域的速率,使其保持在合适的范围内,从而有效地防止了电磁制动结晶器在需要较大制动强度时对弯月面制动过死及软接触结晶器弯月面波动剧易引起卷渣的弊端。     

大圆坯连铸M-EMS参数对磁场和流场分布的影响

采用有限元法和有限体积法对φ250mm大圆坯连铸结晶器电磁搅拌(M-EMS)磁场和流场进行耦合计算。分析了不同电磁搅拌电流和频率下磁场和流场的分布。研究表明,数值模拟结果与实测结果基本一致。钢液中心面的磁感应强度在角部要明显大于中心。电磁力在横截面周向上分布均匀,流动呈涡旋状。当频率相同时,磁感应强度、电磁力和流速随着电流的增加而增加。当电流相同时,沿拉速方向,磁感应强度随频率增加而减小,电磁力和流速随频率的增加而增加。沿搅拌器中心径向,磁感应强度和电磁力随频率增加而减小,频率对切向流速的影响不大。对于φ250mm大圆坯连铸结晶器电磁搅拌,在电流和频率为480A,3Hz时能起到良好的搅拌效果。     

电磁振荡下半连铸Al合金凝固组织的细化机制

在半连铸7075铝合金过程中, 通过同时施加稳恒磁场和交变磁场的方法, 使凝固熔体产生受迫振荡, 研究了电磁振荡的强度和频率对晶粒细化的影响规律. 对电磁振荡作用下, 合金凝固组织的细化机理进行了探讨. 结果表明 电磁振荡法获得的晶粒尺寸要较CREM法所获得的小, 且随着电磁振荡强度增加及频率降低, 铸锭整体组织变得更加细小和均匀.     

Grain refinement of Sn-Pb alloy under a novel combined pulsed magnetic field during solidification

The combined pulsed magnetic field (C-PMF) obtained by simultaneously imposing pulsed and static magnetic field during solidification has been proposed to refine the solidification structure. Compared to the imposition of a single pulsed magnetic field, a more refined structure can be observed under C-PMF. The key factors to affect grain refinement under C-PMF consisted of the vibration frequency characterized by the static magnetic field, pulsed discharge voltage, and the vibration frequency characterized by the pulsed discharge frequency. The microstructure revealed that the grain size decreased with the increasing static magnetic field. The pulsed discharge voltage had an optimum value for obtaining fine grains. Furthermore, when the pulsed discharge frequency was equal to the intrinsic frequency of the liquid metal in a filled cylindrical vessel, resonance vibration occurred in the liquid surface, and grain refinement was promoted.     

方坯结晶器电磁搅拌磁场特性研究

对杭钢方坯结晶器电磁搅拌磁场和扭矩进行了冷态测试,研究了磁场和扭矩随电流、频率的变化规律及磁场的空间位置分布特点。结果表明,磁感应强度大时,电磁力矩不一定大,强调应把电磁力矩作为搅拌器性能的最佳指标。通过不同频率下的扭矩值确定EMS的最佳频率,结果对合理制定及优化电磁搅拌工艺参数提供了理论依据。