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。     

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。     

电磁振荡强度对半连铸7075铝合金微观组织的影响

在 70 75铝合金半连铸过程中 ,通过同时施加一个稳恒磁场和一个交变磁场 ,使金属熔体产生受迫振荡的方法。实验研究了电磁振荡强度对晶粒细化的影响规律。结果表明 :电磁振荡法获得的铝合金晶粒尺寸较CREM法的小 ,且随着电磁振荡强度的增加 ,铸锭微观组织变得更加细小和均匀。对在电磁振荡作用下 ,合金凝固组织的细化机理进行了探讨。     

磁场对镁合金凝固组织影响的研究进展

介绍了磁场对镁合金凝固组织的影响,探讨了直流磁场、交变磁场、脉冲磁场,以及复合场作用下微观组织的演变规律,对今后的发展方向作出了展望,以便更加系统化的讨论磁场作用下合金的凝固过程,并建立具体的细化机理,进一步研究复合场对金属材料凝固组织的影响。     

金属电磁净化技术的研究进展

论述了目前广泛研究的液态金属电磁净化技术,对直流电场正交稳恒磁场、交流电场、交变磁场、行波磁场、旋转磁场,以及最近几年新出现的振荡磁场和复合磁场净化方案的作用原理、影响因素以及使用效果等研究现状进行了分析和对比。并就目前研究中存在的问题、应用必须解决的关键问题和今后的研究方向提出了自己的见解。     

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.     

交变磁场下Cu-Fe复合材料的凝固组织与性能

研究了低频交变磁场下Cu-14Fe原位复合材料的凝固行为,讨论了磁场施加和磁场强度对铸锭组织、溶质分布和性能的影响。结果表明,Cu-14Fe复合材料常规凝固组织中Fe相主要呈枝晶和不规则长条状分布,施加交变磁场后,Fe相转化成梅花状或等轴状晶粒,分布更均匀。交变磁场的施加导致Cu基体中Fe溶质含量降低,磁场强度越大,浓度下降越明显。交变磁场的施加大幅降低了铸锭中的氧含量,提高了材料的电导率,降低了基体硬度。交变磁场对Cu-14Fe原位复合材料凝固过程的影响分别从动力学和热力学方面进行了分析,磁场一方面通过力场改变了熔体的热流和溶质分布,另一方面作为能量场作用于熔体影响了晶胚形核的势垒,从而影响了Cu-14Fe原位复合材料的凝固组织与性能。凝固过程中施加交变磁场有利于Cu-14Fe原位复合材料中Fe相的细化和析出。     

复合电磁场作用下高温合金锭的真空熔铸技术研究

系统研究了在K417高温合金真空熔铸过程中施加由工频交流电磁场和恒稳直流电磁场组成的复合电磁场对高温合金铸锭凝固组织的影响。实验结果表明:在浇注完毕后同时施加60 A旋转电磁场和290 A恒稳直流电磁场的工艺条件下,由于恒稳直流电磁场在金属液面处产生的电磁制动效应可以抑制施加旋转电磁场所引起的金属液面的波动,不仅避免了因金属液面波动太大而使铸锭缩孔恶化的情况出现,而且大幅提高了旋转电磁场在金属液凝固过程中的作用范围和效果,最终得到细小等轴晶比例达到96%、缩孔明显改善的优质高温合金铸锭。     

稳恒磁场在金属相变过程中的应用

稳恒磁场在材料科学中的应用越来越受到关注。本文从稳恒磁场作用下生成的磁化力和洛伦兹力两个角度归纳了稳恒磁场对金属材料的固态相变和液态相变的影响。其中磁化力可以影响固态相变过程,形成取向,引起磁对流,进行磁性分离。而洛伦兹力可以抑制熔体的流动和波动,提高溶质离子在基体中的固溶度,另外,利用洛伦兹力还可以在电磁离心铸造中获得均匀的凝固组织。     

稳恒磁场在金属相变过程中的应用

稳恒磁场在材料科学中的应用越来越受到关注。本文从稳恒磁场作用下生成的磁化力和洛伦兹力两个角度归纳了稳恒磁场对金属材料的固态相变和液态相变的影响。其中磁化力可以影响固态相变过程，形成取向．引起磁对流，进行磁性分离。而洛伦兹力可以抑制熔体的流动和波动，提高溶质离子在基体中的固溶度，另外，利用洛伦兹力还可以在电磁离心铸造中获得均匀的凝固组织。     

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.     

螺旋磁场对金属凝固过程中成分偏析的影响

通过模拟钢连铸金属凝固的条件,以低熔点合金为研究对象,分析了螺旋磁场对凝固组织的影响。发现螺旋磁场能够消除成分偏析、碎断枝晶和细化凝固组织。同时,对比研究了不同磁场方式对凝固组织的影响。在相同电磁搅拌参数下,螺旋磁场比旋转磁场更能减小铸锭上下部成分之间的差异并细化晶粒,对促进铸锭成分均匀化有更好的效果;螺旋磁场电磁力分布更有利于形成较大区域的均匀搅拌,对形成等轴晶有明显的促进作用,且晶粒排列的方向性比旋转磁场处理下的更小,即各向同性效果更好。     

交流电磁场对Al-7%Si亚共晶合金凝固组织的影响

研究了在交流磁场下凝固的Al-7%Si合金晶内Si溶质元素含量及凝固组织的变化。实验结果表明:与未施加磁场的试样相比,整个凝固过程施加交流磁场,Al-7%Si合金Si在晶粒内部的含量增加,仅在凝固前期施加交流磁场的样品中,晶内Si含量差别不大。此外,在固相线温度以上(680、630、600℃)开始施加交流磁场,初生α-Al为蔷薇状,在固相线以下开始施加交流磁场,初生α-Al为树枝状。     

脉冲磁场对Mg-Gd-Y-Zr合金组织中溶质含量的影响

在Mg-Gd-Y-Zr镁合金凝固过程中施加脉冲磁场,通过改变脉冲磁场的脉冲频率,研究脉冲磁场对Mg-Gd-Y-Zr镁合金凝固的影响.结果表明,脉冲磁场使Mg-Gd-Y-Zr镁合金晶粒细化的同时,在10 Hz外加脉冲磁场条件下使晶粒内部的合金元素Gd和Y的溶质含量增加,晶界析出的共晶含量相应减少.脉冲磁场使熔体内部的带电离子沿磁力线方向自旋运动,以及周期性变化的电场力对带电离子自由振动的抑制作用导致的溶质原子迁移所需的能量势垒增加是晶粒内部Gd、Y元素溶质含量增加的原因.     

Numerical simulation of solidification process of Sn-3.5%Pb hollow billet with stirring magnetic field

In order to study the effect of the stirring flow on the grain diameter and solute concentration of hollow billet, the couple model of the two-phase solidification and electromagnetic field was built to simulate the solidification process of Sn-3.5%Pb hollow billet with the traveling magnetic field and rotating magnetic field. The effects of different kinds of flows on the temperature field, concentration field and grain diameter of molten metal during solidification were analysed. The results show that, there are different flow patterns in the molten metal induced by the traveling magnetic field and rotating magnetic field. Both flows can refine the grains in the hollow billet because of change of the temperature gradient and cooling rate of molten metal. The bigger the stirring velocity is, the smaller the grain diameter. Both flows can result in the macro-segregation in the hollow billet because of the non-homogeneous flows. The bigger the stirring velocity, the more serious the macro-segregation of the hollow billet. So, the stirring intensity should be controlled to acquire the high quality hollow billet.     

Microstructure refinement of AZ91D alloy solidified with pulsed magnetic field

The effects of pulsed magnetic field on the solidified microstructure of an AZ91D magnesium alloy were investigated. The experimental results show that the remarkable microstructural refinement is achieved when the pulsed magnetic field is applied in the solidification of AZ91D alloy. The average grain size of the as-cast microstructure of AZ91D alloy is refined to 104 μm. Besides the grain refinement, the morphology of the primary α-Mg is changed from dendritic to rosette, then to globular shape with changing the parameters of the pulsed magnetic field. The pulsed magnetic field causes melt convection during solidification, which makes the temperature of the whole melt homogenized, and produces an undercooling zone in front of the liquid/solid interface by the magnetic pressure, which makes the nucleation rate increased and big dendrites prohibited. In addition, primary α-Mg dendrites break into fine crystals, resulting in a refined solidification structure of the AZ91D alloy. The Joule heat effect induced in the melt also strengthens the grain refinement effect and spheroidization of dendrite arms.     

磁场作用下Al-Pb偏晶合金的凝固过程

在恒定磁场作用下对Al-Pb合金进行定向凝固实验, 考察了合金成分、凝固速度、恒定磁场对凝固组织的影响. 模拟研究了恒定磁场作用下Al-Pb合金定向凝固组织的形成过程, 分析了磁场的影响机理和合金成分、凝固速度、磁场强度对弥散型凝固组织获得的影响. 模拟和实验均表明恒定磁场促进弥散型偏晶合金凝固组织的形成.     

交替复合磁场去除铝熔体中夹杂物的研究

铝硅过共晶合金凝固过程中析出的初生硅颗粒被视为铝熔体中的夹杂物颗粒。研究了由交替旋转磁场和下行波磁场组成的交替复合磁场对铝熔体中夹杂物的去除效果。结果表明,在交替复合磁场作用下,夹杂物颗粒发生了明显的聚合并迁移至顶部被除去。对比发现,交替复合磁场的除杂效果要优于单向旋转磁场和下行波磁场组成的单向复合磁场。随着交替复合磁场中的交替旋转磁场的频率和电流的增加,磁场除杂效果显著上升。交替时间为10 s时磁场除杂效果最佳。