電場作用下合金液相流動及凝固結晶生長規(guī)律.pdf

1、在電場、磁場、超聲波聲場和微重力場等外場作用的金屬凝固技術范疇內(nèi)，電場凝固技術以其設備相對簡單和操作比較靈活的特點而得到鑄造研究和工程技術領域的重視。與傳統(tǒng)的凝固過程采用化學方法處理相比較，電場以其特有的外場能量形式同樣可以達到細化鑄造晶粒和改良組織結構的目的，而且對合金熔體無成分改變、對環(huán)境和人體健康也不會造成損害。雖然已有研究表明電場可對多種鑄造合金材料進行晶粒細化、組織結構調(diào)整和析出相形態(tài)控制，但在電場作用下可影響的合金種類在深度

2、和廣度上仍存在問題，尤其是在電場作用方式、電場作用液相流動機理和電場作用凝固機理需要開展深入而系統(tǒng)的研究。
　　本文綜合運用數(shù)值模擬、相似性物理模擬和合金凝固實驗的方法，研究了電場影響的合金液相流動及其凝固結晶生長過程。首先采用有限元方法，利用APDL(ANSYS Parametric Design Language)參數(shù)化設計語言，以Ti-(46-50at％)Al合金為例分別計算了在交流電場、脈沖電場及穩(wěn)恒電場作用下，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)電磁場及流場的分布規(guī)律，并對不同型腔中固/液界面前沿液相流動進行了數(shù)值模擬。其次根據(jù)相似性物理模擬準則，自行建立了用于研究電場影響的液相流動與結晶生長的多功能動態(tài)觀測裝置，分別選擇NH4Cl-89.43at%H2O、SCN-8.38at%ETH為單相類合金模擬物、NPG-90.45at%SCN為亞共晶類合金模擬物、AMPD-19at%SCN為過包晶類合金模擬物，觀察了電

4、場對其結晶生長的影響規(guī)律。最后采用型腔寬厚比為5:1的矩形鑄型，通過直接通入電流，開展了電場影響下Al-9at%Si和Ti-50at%Al合金的鑄造實驗，并利用OM、XRD、SEM、EDS等分析測試手段分別對比分析了有無電場影響時兩種合金的凝固組織、抗拉強度及維氏顯微硬度變化。
　　本文通過上述研究獲得以下主要結果：(1)在三種電場作用方式下，與其它鑄型型腔寬厚比相比，5:1型腔內(nèi)合金液相的流動趨于均衡，而且通過與交流電場或者脈沖

5、電場比較，由穩(wěn)恒電場所驅動的合金液相流動更加平穩(wěn)和持久。電場對枝晶前沿液相區(qū)流場所產(chǎn)生的影響表現(xiàn)為，在胞、枝晶尖端的一側形成漩渦，形成所謂的流動上游區(qū)。(2)穩(wěn)恒電場作用于單相合金模擬物NH4Cl-89.43at%H2O時，由于其固、液兩相的電導率差別大，Joule熱效應將起主要作用，對其游離晶重溶和等軸樹枝晶、柱狀樹枝晶的生長形態(tài)產(chǎn)生影響，而采用單相類合金模擬物SCN-8.38at%ETH時，電場的Pinch效應及TEMHD(Ther

6、moelectric magnetohydro-dynamic)效應促進了“平-胞”轉變并加快了胞晶生長速度，由于TEMHD造成胞晶尖端前沿過冷度增大，導致胞晶出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，此兩種效應會造成柱狀樹枝晶迎流傾斜生長。(3)穩(wěn)恒電場作用于亞共晶類合金模擬物NPG-90.45at%SCN結晶生長時，電場的Pinch效應會導致初生NPG相出現(xiàn)沖斷和重熔，并導致NPG/SCN共晶相中NPG相出現(xiàn)分叉現(xiàn)象。(4)穩(wěn)恒電場作用于過包晶類合金模擬物AM

7、PD-19at%SCN時，發(fā)現(xiàn)電場使得包晶β相由長柱狀生長轉變?yōu)轭w粒狀生長，這是由于電場改變了初生相及包晶相的化學位，抑制了包晶相變的發(fā)生，從而降低了包晶β相的產(chǎn)量，導致其不易向發(fā)達的長柱狀生長。(5)在電場影響的Al-9at%Si和Ti-50at%Al合金澆注與凝固實驗中，建立了同質(zhì)復合電極電流施加方法，并導出矩形鑄型型腔內(nèi)電流作用合金液相流動均勻性的判斷準則，即DW，(電極接線柱半徑 R≥0.01m，兩17極板間作用區(qū)長度L≤10m

8、)，當鑄型型腔尺寸和電極尺寸滿足該式時，可使電場影響的型腔內(nèi)的液相流動效果最佳。電場對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)生一定程度的細化，這驗證并支持了現(xiàn)有關于電場細化鑄造合金組織的結果。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)了包晶相含量相對偏少的現(xiàn)象，即在電場的作用下，其包晶相的生長受到抑制。
　　本文最后從凝固熱