脈沖磁致振蕩凝固細晶技術(shù)基礎(chǔ)研究.pdf

1、本文提出了一種全新的凝固組織細化技術(shù)——脈沖磁致振蕩凝固細晶技術(shù)。采用自行研發(fā)的脈沖磁致振蕩實驗系統(tǒng)和EMV定向凝固實驗臺，結(jié)合微分熱分析技術(shù)，全面研究了脈沖磁致振蕩對金屬凝固組織和凝固行為的影響，獲得了脈沖磁致振蕩細化金屬凝固組織的作用規(guī)律，揭示了脈沖磁致振蕩細化金屬凝固組織的本質(zhì)。 應(yīng)用經(jīng)典電動力學(xué)理論及聲學(xué)理論分析了脈沖磁致振蕩作用下純金屬的凝固過程，提出了脈沖磁致振蕩下液態(tài)金屬凝固過程及凝固組織細化模型。脈沖電磁場與其在

2、金屬熔體表面產(chǎn)生的感應(yīng)電流共同作用，產(chǎn)生洛倫茲力f=J×B，該力垂直于試樣側(cè)表面而指向試樣軸心。由于電流的“趨膚效應(yīng)”，凝固表面發(fā)生振蕩。同時，由于固相電導(dǎo)率成倍增加，感應(yīng)電流在晶核中強度增加，由此在晶核上產(chǎn)生一個由外向里的力，該力將促使從凝固表面脫落的自由晶核向熔體運動。當(dāng)晶核運動到一定深度離開了趨膚效應(yīng)區(qū)后，由于運動速度減慢而聚集，原來尺寸較小的晶核就可能形成多孔組織。當(dāng)該組織的尺度與脈沖磁致振蕩的振動波長相當(dāng)時，它會反射脈沖磁致振

3、蕩產(chǎn)生的振動波，而獲得相應(yīng)的壓力并使晶核得以繼續(xù)向熔體內(nèi)部運動。當(dāng)晶核運動到熔體內(nèi)部時，由于周圍液體溫度較高，可能被熔化為若干更小的晶核，由此增加了液態(tài)金屬中晶核的數(shù)目，從而形成等軸晶組織。 系統(tǒng)研究了澆注后不同冷卻階段脈沖磁致振蕩處理對純鋁凝固組織的影響。實驗結(jié)果顯示，在脈沖磁致振蕩孕育處理、脈沖磁致振蕩凝固處理以及脈沖磁致振蕩全程處理三種技術(shù)條件下，后兩者對純鋁組織的細化效果較佳，可以獲得細小等軸晶。通過隔離網(wǎng)實驗發(fā)現(xiàn)，明顯

4、的組織細化效果出現(xiàn)在靠近處理表面的隔離網(wǎng)外區(qū)域，而隔離網(wǎng)內(nèi)熔體的凝固組織沒有明顯變化。由此得出振蕩細化核心的來源是振蕩處理時從處理區(qū)域表面的型壁上異質(zhì)形核后脫落的晶核，也即振蕩產(chǎn)生的結(jié)晶雨作用。通過系統(tǒng)的實驗建立了平均晶粒尺寸與脈沖磁致振蕩參數(shù)的定量關(guān)系，證明脈沖磁致振蕩的表面振動以及振蕩波的傳播所產(chǎn)生的聲壓是晶核遷移的動力。通過對不同屏蔽條件的熔體施加脈沖磁致振蕩，發(fā)現(xiàn)當(dāng)凝固外殼或鑄型的電導(dǎo)率較凝固熔體小時，其對脈沖磁致振蕩的屏蔽作用

5、是較小的，當(dāng)凝固外殼或鑄型的電導(dǎo)率較凝固熔體大時，將對脈沖磁致振蕩形成一定的屏蔽作用，但如果適當(dāng)提高脈沖磁致振蕩的處理強度，也能產(chǎn)生較好的細化效果。 研究表明，脈沖磁致振蕩能夠明顯細化錫銻合金的凝固組織，使晶粒尺寸變小，同時減弱了宏觀偏析。對脈沖磁致振蕩作用下錫銻合金凝固組織中β相的研究表明，鑄錠中的β相在脈沖磁致振蕩作用下尺寸變小，而且脈沖磁致振蕩強度越高，晶粒尺寸減小越顯著，晶粒數(shù)量增多，分布彌散。說明脈沖磁致振蕩可以促進晶

6、核增殖，從而大大細化組織。 脈沖磁致振蕩對鐵素體不銹鋼凝固組織具有顯著細化作用。在一定的范圍內(nèi)增大處理頻率和強度參數(shù)，脈沖磁致振蕩對鐵素體不銹鋼凝固組織的細化效果及等軸晶區(qū)面積迅速遞增。在適當(dāng)?shù)膮?shù)條件下等軸晶區(qū)比例可以達到100％。當(dāng)脈沖磁致振蕩參數(shù)過大時，由于焦耳熱過大，鐵素體不銹鋼凝固組織細化效果反而變差。 通過脈沖磁致振蕩作用下的定向凝固實驗研究，發(fā)現(xiàn)在同一溫度梯度和晶體生長速度下，隨著磁致振蕩強度的增加，鋁銅合