電場(chǎng)作用下合金液相流動(dòng)及凝固結(jié)晶生長(zhǎng)規(guī)律.pdf

1、在電場(chǎng)、磁場(chǎng)、超聲波聲場(chǎng)和微重力場(chǎng)等外場(chǎng)作用的金屬凝固技術(shù)范疇內(nèi)，電場(chǎng)凝固技術(shù)以其設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單和操作比較靈活的特點(diǎn)而得到鑄造研究和工程技術(shù)領(lǐng)域的重視。與傳統(tǒng)的凝固過(guò)程采用化學(xué)方法處理相比較，電場(chǎng)以其特有的外場(chǎng)能量形式同樣可以達(dá)到細(xì)化鑄造晶粒和改良組織結(jié)構(gòu)的目的，而且對(duì)合金熔體無(wú)成分改變、對(duì)環(huán)境和人體健康也不會(huì)造成損害。雖然已有研究表明電場(chǎng)可對(duì)多種鑄造合金材料進(jìn)行晶粒細(xì)化、組織結(jié)構(gòu)調(diào)整和析出相形態(tài)控制，但在電場(chǎng)作用下可影響的合金種類(lèi)在深度

2、和廣度上仍存在問(wèn)題，尤其是在電場(chǎng)作用方式、電場(chǎng)作用液相流動(dòng)機(jī)理和電場(chǎng)作用凝固機(jī)理需要開(kāi)展深入而系統(tǒng)的研究。
　　本文綜合運(yùn)用數(shù)值模擬、相似性物理模擬和合金凝固實(shí)驗(yàn)的方法，研究了電場(chǎng)影響的合金液相流動(dòng)及其凝固結(jié)晶生長(zhǎng)過(guò)程。首先采用有限元方法，利用APDL(ANSYS Parametric Design Language)參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，以Ti-(46-50at％)Al合金為例分別計(jì)算了在交流電場(chǎng)、脈沖電場(chǎng)及穩(wěn)恒電場(chǎng)作用下，合金液相在

3、型腔寬厚比分別為1:1、2:1、3:1、4:1、5:1及9:1鑄型內(nèi)電磁場(chǎng)及流場(chǎng)的分布規(guī)律，并對(duì)不同型腔中固/液界面前沿液相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。其次根據(jù)相似性物理模擬準(zhǔn)則，自行建立了用于研究電場(chǎng)影響的液相流動(dòng)與結(jié)晶生長(zhǎng)的多功能動(dòng)態(tài)觀測(cè)裝置，分別選擇NH4Cl-89.43at%H2O、SCN-8.38at%ETH為單相類(lèi)合金模擬物、NPG-90.45at%SCN為亞共晶類(lèi)合金模擬物、AMPD-19at%SCN為過(guò)包晶類(lèi)合金模擬物，觀察了電

4、場(chǎng)對(duì)其結(jié)晶生長(zhǎng)的影響規(guī)律。最后采用型腔寬厚比為5:1的矩形鑄型，通過(guò)直接通入電流，開(kāi)展了電場(chǎng)影響下Al-9at%Si和Ti-50at%Al合金的鑄造實(shí)驗(yàn)，并利用OM、XRD、SEM、EDS等分析測(cè)試手段分別對(duì)比分析了有無(wú)電場(chǎng)影響時(shí)兩種合金的凝固組織、抗拉強(qiáng)度及維氏顯微硬度變化。
　　本文通過(guò)上述研究獲得以下主要結(jié)果：(1)在三種電場(chǎng)作用方式下，與其它鑄型型腔寬厚比相比，5:1型腔內(nèi)合金液相的流動(dòng)趨于均衡，而且通過(guò)與交流電場(chǎng)或者脈沖

5、電場(chǎng)比較，由穩(wěn)恒電場(chǎng)所驅(qū)動(dòng)的合金液相流動(dòng)更加平穩(wěn)和持久。電場(chǎng)對(duì)枝晶前沿液相區(qū)流場(chǎng)所產(chǎn)生的影響表現(xiàn)為，在胞、枝晶尖端的一側(cè)形成漩渦，形成所謂的流動(dòng)上游區(qū)。(2)穩(wěn)恒電場(chǎng)作用于單相合金模擬物NH4Cl-89.43at%H2O時(shí)，由于其固、液兩相的電導(dǎo)率差別大，Joule熱效應(yīng)將起主要作用，對(duì)其游離晶重溶和等軸樹(shù)枝晶、柱狀樹(shù)枝晶的生長(zhǎng)形態(tài)產(chǎn)生影響，而采用單相類(lèi)合金模擬物SCN-8.38at%ETH時(shí)，電場(chǎng)的Pinch效應(yīng)及TEMHD(Ther

6、moelectric magnetohydro-dynamic)效應(yīng)促進(jìn)了“平-胞”轉(zhuǎn)變并加快了胞晶生長(zhǎng)速度，由于TEMHD造成胞晶尖端前沿過(guò)冷度增大，導(dǎo)致胞晶出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，此兩種效應(yīng)會(huì)造成柱狀樹(shù)枝晶迎流傾斜生長(zhǎng)。(3)穩(wěn)恒電場(chǎng)作用于亞共晶類(lèi)合金模擬物NPG-90.45at%SCN結(jié)晶生長(zhǎng)時(shí)，電場(chǎng)的Pinch效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致初生NPG相出現(xiàn)沖斷和重熔，并導(dǎo)致NPG/SCN共晶相中NPG相出現(xiàn)分叉現(xiàn)象。(4)穩(wěn)恒電場(chǎng)作用于過(guò)包晶類(lèi)合金模擬物AM

7、PD-19at%SCN時(shí)，發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)使得包晶β相由長(zhǎng)柱狀生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀生長(zhǎng)，這是由于電場(chǎng)改變了初生相及包晶相的化學(xué)位，抑制了包晶相變的發(fā)生，從而降低了包晶β相的產(chǎn)量，導(dǎo)致其不易向發(fā)達(dá)的長(zhǎng)柱狀生長(zhǎng)。(5)在電場(chǎng)影響的Al-9at%Si和Ti-50at%Al合金澆注與凝固實(shí)驗(yàn)中，建立了同質(zhì)復(fù)合電極電流施加方法，并導(dǎo)出矩形鑄型型腔內(nèi)電流作用合金液相流動(dòng)均勻性的判斷準(zhǔn)則，即DW，(電極接線(xiàn)柱半徑 R≥0.01m，兩17極板間作用區(qū)長(zhǎng)度L≤10m

8、)，當(dāng)鑄型型腔尺寸和電極尺寸滿(mǎn)足該式時(shí)，可使電場(chǎng)影響的型腔內(nèi)的液相流動(dòng)效果最佳。電場(chǎng)對(duì)Al-9at%Si和Ti-50at%Al合金寬厚比5:1板坯試樣的凝固晶粒組織均產(chǎn)生一定程度的細(xì)化，這驗(yàn)證并支持了現(xiàn)有關(guān)于電場(chǎng)細(xì)化鑄造合金組織的結(jié)果。在Al-9at%Si的共晶組織中出現(xiàn)了共晶Si相分叉的現(xiàn)象，而在Ti-50at%Al合金的凝固組織中也出現(xiàn)了包晶相含量相對(duì)偏少的現(xiàn)象，即在電場(chǎng)的作用下，其包晶相的生長(zhǎng)受到抑制。
　　本文最后從凝固熱