外磁場(chǎng)對(duì)定向凝固枝晶組織形貌的影響

1、外磁場(chǎng)對(duì)定向凝固枝晶組織形貌的影響摘要：合金在外加穩(wěn)恒橫向磁場(chǎng)下的程度定向凝固過(guò)程中，改變外加磁場(chǎng)強(qiáng)度和固液界面挪動(dòng)速度可以影響合金凝固后枝晶一次臂間距變化，發(fā)現(xiàn)一次臂間距隨外加磁場(chǎng)增大而呈現(xiàn)震蕩波動(dòng)增大現(xiàn)象，這種起伏波動(dòng)是熱電磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)與電磁制動(dòng)效應(yīng)共同作用的結(jié)果。關(guān)鍵詞：熱電磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)；程度定向凝固；穩(wěn)恒橫向強(qiáng)磁場(chǎng)；一次臂間距abstratal-4.0%u、al-11%siallyisslidifiedundertransversestatiagnetifieldathriznatldiretinalslidifydevie.theeasuredpriedendritispai

2、ng,inreasingly,silateithagnetifieldintensityanddraggingspeedfslid-eltinterfae.thesilatinisausedbytehdandhd.keyrds:thereletriagnethydrdynaieffet;1.引言隨著電磁冶金技術(shù)、磁流體動(dòng)力學(xué)理論的不斷開(kāi)展，利用外加磁場(chǎng)控制金屬凝固過(guò)程中的熱量、質(zhì)量、動(dòng)量傳輸及液態(tài)金屬成型過(guò)程得到人們的廣泛重視。對(duì)于多相合金，溫度梯度、熱電能差及熱電效應(yīng)將對(duì)金屬凝固過(guò)程產(chǎn)生多方面影響。對(duì)于任意合金凝固過(guò)程，只要存在不同溫度梯度和不同相之間的熱電能差，seebek效應(yīng)就將發(fā)揮作用

3、進(jìn)而產(chǎn)生電動(dòng)力ef1，ef=-sthgradient(t)，其中，sth為熱電能，說(shuō)明材料熱電才能的大小，同種材料固相的熱電能大于液相；合金中導(dǎo)電才能大的成分含量越多的相，熱電能越大。該電動(dòng)力即電場(chǎng)推動(dòng)電荷運(yùn)動(dòng)形成熱電流jth，jth/=-sthgradient(t)。當(dāng)把外加磁場(chǎng)施加到合金凝固體系中時(shí)，外加磁場(chǎng)與速度嘗熱電流場(chǎng)復(fù)合將對(duì)糊狀區(qū)枝晶網(wǎng)絡(luò)及固液界面前沿產(chǎn)生復(fù)雜的作用和影響。一方面，外磁場(chǎng)與熱電流復(fù)合產(chǎn)生推動(dòng)溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)的熱電磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)tehhd2，形成熱電磁流體速度場(chǎng)jthb；另一方面，外加磁場(chǎng)與僅由溫度梯度形成的液相對(duì)流速度場(chǎng)及新形成的熱電磁流體速度場(chǎng)復(fù)合作用，產(chǎn)生抑止流體運(yùn)動(dòng)

4、的磁制動(dòng)效應(yīng)hd3，制動(dòng)力大小分別與vb和jthbb的大小相對(duì)應(yīng)，第1項(xiàng)與b成正比，第2項(xiàng)與b2成正比。那么在某一特定凝固條件下tehhd與hd哪一個(gè)發(fā)揮主要作用及其發(fā)揮主要作用的控制條件確實(shí)定，將成為實(shí)際利用外磁場(chǎng)控制金屬凝固過(guò)程首要解決的問(wèn)題。同時(shí)，tehhd與hd的交互作用否存在相對(duì)穩(wěn)定階段以便于人為控制結(jié)晶組織形貌，也需要我們對(duì)其進(jìn)展研究和驗(yàn)證。2.實(shí)驗(yàn)方法將al-4.0%u、al-11%si合金加工成14140的試樣，每次取用1個(gè)裝在16內(nèi)徑150石英坩堝內(nèi)，兩側(cè)用石墨短棒封堵。安裝坩堝到如下列圖1所式的程度定向凝固裝置上。開(kāi)啟加熱系統(tǒng)使試樣充分熔融后，啟動(dòng)調(diào)速裝置牽引整套定向凝固系

5、統(tǒng)程度右移，使試樣在固定不動(dòng)的情況下由左到右依次進(jìn)入冷卻系統(tǒng)經(jīng)歷降溫冷卻過(guò)。在此過(guò)程的同時(shí)，施加橫向穩(wěn)恒磁常這樣，通過(guò)控制程度牽引速度、外加磁場(chǎng)強(qiáng)度參數(shù)，多組不同速圖1程度定向凝固裝置構(gòu)造示意圖度、磁場(chǎng)條件的試樣被制備出來(lái)。經(jīng)過(guò)對(duì)試樣的金相分析測(cè)量，繪制得出一次臂間距隨外磁場(chǎng)強(qiáng)度、程度牽引速度的關(guān)系圖，用以分析探究熱電磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)在合金定向凝固過(guò)程的作用及影響。3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)對(duì)al-4.0%u合金定向凝固條件下的實(shí)驗(yàn)，測(cè)得其一次枝晶臂間距隨外加磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的數(shù)據(jù)并繪制出相應(yīng)變化曲線如下列圖2所示。圖2一次臂間距與勵(lì)磁電流的關(guān)系在牽引速度較小的25/s時(shí)，一次臂間距隨外磁場(chǎng)的增大先增大后減

6、小，在勵(lì)磁電流為50a時(shí)出現(xiàn)最大值，隨后不斷減小甚至出現(xiàn)小于未加磁場(chǎng)時(shí)的情況。隨著牽引速度的增大，參看40、50、70、100/s曲線，一次臂間距呈現(xiàn)出震蕩增大現(xiàn)象，總體上看一次臂間距隨外磁場(chǎng)增大而不斷增大，但增大過(guò)程是反復(fù)波動(dòng)的，每次出現(xiàn)極大值后必然僅隨出現(xiàn)一個(gè)極小值。對(duì)于al-11%si合金，參見(jiàn)右圖3，在牽引速度較小的20/s時(shí)，一次臂間距隨外加磁場(chǎng)增大呈現(xiàn)波動(dòng)反復(fù)現(xiàn)象，在經(jīng)歷了最初一段相對(duì)穩(wěn)定階段后一次臂間距開(kāi)場(chǎng)增大，在出現(xiàn)極大值后立即減小出現(xiàn)略小于最初穩(wěn)定階段的極小值。其后，極大值與極小值交替震蕩出現(xiàn)。在牽引速度30/s時(shí)，一次臂間距在出現(xiàn)最初的穩(wěn)定段后立即減小出現(xiàn)最小值，之后不斷增

7、大，值得注意的是，增大速度是漸緩的。隨著牽引速度的進(jìn)一步增大，參看v50/s和v70/s兩條曲線，一次臂間距隨著外磁場(chǎng)的增大出現(xiàn)先增大圖3一次臂間距與勵(lì)磁電流的關(guān)系出現(xiàn)最大值然后不斷減校特別是v70/s曲線在最小值出現(xiàn)后立即出現(xiàn)反彈增大現(xiàn)象。各組al-4.0%u合金縱剖金相照片100見(jiàn)表1。各組al-11%si合金各組縱剖金相照片50見(jiàn)表2。4.分析討論為了克制傳統(tǒng)垂直定向凝固實(shí)驗(yàn)中較重成分沉積于固液界面造成的成分過(guò)冷影響，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了專門(mén)的程度定向凝固裝置，采用長(zhǎng)寬比為10的預(yù)制試樣，金相觀察面控制在試樣中段、過(guò)軸心的縱向垂直剖面上。在固液界面前沿溫度梯度恒定30/條件、合金成分配比合理的條

8、件下，al-4.0%u合金、al-11%si合金最終凝固組織均為樹(shù)枝晶。枝晶間距即一次臂間距受固液界面挪動(dòng)速度、外磁場(chǎng)圖4外加磁場(chǎng)與勵(lì)磁電流關(guān)系條件共同控制。對(duì)于外加磁場(chǎng)與勵(lì)磁電流關(guān)系可以查看右圖4。參考安閣英劉正新關(guān)于一次枝晶臂間距的表達(dá)式3l2=82dl/(grr)式中：1一次枝晶臂間距，；r枝晶端部曲率半徑，；r枝晶生長(zhǎng)速度，/s；dl溶質(zhì)元素的液相擴(kuò)散系數(shù)，2/s；gl溫度梯度，/；外表張力常數(shù)，它與界面能和熔化比熵s的關(guān)系為=/s；l系統(tǒng)長(zhǎng)度。一次枝晶臂間距和凝固速度、溫度梯度、溶質(zhì)元素的液相擴(kuò)散系數(shù)直接相關(guān)，在凝固速度、溫度梯度增加均會(huì)使一次臂間距變細(xì)。在溫度梯度gl、磁感應(yīng)強(qiáng)度不

9、變時(shí)，次枝晶臂間距隨牽引速度r增大而變??；在同一牽引速度下，隨著動(dòng)量傳輸增大會(huì)引起溶質(zhì)元素?cái)U(kuò)散系數(shù)增大，一次枝晶臂間距隨動(dòng)量傳輸?shù)淖兓兓ｋ姶胖苿?dòng)效應(yīng)與粘性力的比值用ha=sbl表示4，p.lehann等指出在l10-2、b=1t時(shí)ha大致在150左右。此時(shí)電磁制動(dòng)力足夠大以致液相區(qū)的自然對(duì)流會(huì)被完全抑制。對(duì)于糊狀區(qū)，參考實(shí)驗(yàn)測(cè)得的一次臂間距驗(yàn)算得到其ha在710左右，即對(duì)流不能被完全抑制而會(huì)隨hd和tehd效應(yīng)強(qiáng)弱不斷變化波動(dòng)，這與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)結(jié)果是相符的。何樹(shù)紅5從數(shù)學(xué)角度已經(jīng)證實(shí)了三維有界區(qū)域內(nèi)磁流體動(dòng)力學(xué)方程hd存在唯一周期解。根據(jù)n-s方程+傳輸方程求解的液相區(qū)糊狀區(qū)對(duì)流曲線也

10、反映了動(dòng)量傳輸?shù)牟▌?dòng)性6。對(duì)于al-4.0%u合金，在牽引速度為25/s時(shí)一次臂間距隨外磁場(chǎng)增加先增大后減小的原因，可以從tehhd與hd效應(yīng)發(fā)揮作用主次不同上加以理解。在曲線上升段，外磁場(chǎng)強(qiáng)度較小，hd的jthbb項(xiàng)相對(duì)vb項(xiàng)小很多，hd僅抑制了液相中由于溫度梯度引起的對(duì)流傳質(zhì)而對(duì)tehhd不起作用。故一次臂間距在熱電磁對(duì)流速度場(chǎng)jthb不斷增大引起溶質(zhì)傳輸不斷增強(qiáng)的影響下不斷增大直至到達(dá)最大值。其后，隨著外磁場(chǎng)的進(jìn)一步增大，jthbb項(xiàng)開(kāi)場(chǎng)發(fā)揮作用，熱電磁流體速度場(chǎng)開(kāi)場(chǎng)不斷減弱，曲線下降。牽引速度為40、50/s兩條曲線初始段一次臂間距隨外磁場(chǎng)增加而減小，是由于牽引速度進(jìn)一步增大不可防止的

11、引起擾動(dòng)增強(qiáng)，此時(shí)外磁場(chǎng)較弱，tehd進(jìn)一步增加了對(duì)流傳質(zhì)。兩條曲線隨后都出現(xiàn)震蕩波動(dòng)增大現(xiàn)象，這是外磁場(chǎng)增大引起的熱電磁對(duì)流增強(qiáng)和hd抑制對(duì)流此消彼長(zhǎng)反復(fù)成為主導(dǎo)因素的結(jié)果。70、100/s兩條曲線，由于牽引速度增加引起溶質(zhì)傳輸不充分而造成曲線初始段上升。隨后由于hd抑制作用下而下降，而即進(jìn)入震蕩波動(dòng)增加階段。另外，考慮到tehhd、hd以及磁場(chǎng)對(duì)速度增量、電流增量的作用都是在動(dòng)態(tài)過(guò)程中連續(xù)進(jìn)展的，所以不同牽引速度下的1曲線出現(xiàn)穿插現(xiàn)象和峰值錯(cuò)位現(xiàn)象就可以理解了。對(duì)于熱電能差較大的al-11%si合金，除由于jthbb項(xiàng)較大由于jth較大引起初始段曲線隨磁場(chǎng)保持較慢增長(zhǎng)甚至程度不變外，其他現(xiàn)

12、象與al-4.0%u合金類似，在此不再贅述。5.結(jié)論綜合以上實(shí)驗(yàn)分析，我們不難發(fā)現(xiàn)：al-4.0%u、al-11%si合金在橫向磁場(chǎng)下程度定向凝固過(guò)程中，受到外加磁嘗溫度梯度、牽引速度等影響，其一次臂間距呈現(xiàn)震蕩波動(dòng)增加現(xiàn)象。在tehd效應(yīng)發(fā)揮主導(dǎo)作用的條件下，一次臂間距增大；在hd效應(yīng)發(fā)揮主導(dǎo)作用的條件下，一次臂間距減校正是外加磁場(chǎng)引起的兩種相反效果的效應(yīng)反復(fù)發(fā)揮主要作用，一次臂間距出現(xiàn)震蕩波動(dòng)。但總體看一次臂間距是隨外磁場(chǎng)增大引起的tehd效應(yīng)增強(qiáng)而增大的。對(duì)于任意非單相合金，只要外磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠大、磁場(chǎng)方向控制合理，可以在一定范圍內(nèi)通過(guò)人為改變外磁場(chǎng)而控制晶粒尺寸和晶粒方向。參考文獻(xiàn)1p.lehann.etal./jurnalfrystal183(1998)690-7042y.y.khineetal/juralfrystalgrth212(2000).1998,584