脉冲磁致振荡凝固细晶技术基础研究

论文摘要

本文提出了一种全新的凝固组织细化技术——脉冲磁致振荡凝固细晶技术。采用自行研发的脉冲磁致振荡实验系统和EMV定向凝固实验台,结合微分热分析技术,全面研究了脉冲磁致振荡对金属凝固组织和凝固行为的影响,获得了脉冲磁致振荡细化金属凝固组织的作用规律,揭示了脉冲磁致振荡细化金属凝固组织的本质。应用经典电动力学理论及声学理论分析了脉冲磁致振荡作用下纯金属的凝固过程,提出了脉冲磁致振荡下液态金属凝固过程及凝固组织细化模型。脉冲电磁场与其在金属熔体表面产生的感应电流共同作用,产生洛伦兹力f=J×B,该力垂直于试样侧表面而指向试样轴心。由于电流的“趋肤效应”,凝固表面发生振荡。同时,由于固相电导率成倍增加,感应电流在晶核中强度增加,由此在晶核上产生一个由外向里的力,该力将促使从凝固表面脱落的自由晶核向熔体运动。当晶核运动到一定深度离开了趋肤效应区后,由于运动速度减慢而聚集,原来尺寸较小的晶核就可能形成多孔组织。当该组织的尺度与脉冲磁致振荡的振动波长相当时,它会反射脉冲磁致振荡产生的振动波,而获得相应的压力并使晶核得以继续向熔体内部运动。当晶核运动到熔体内部时,由于周围液体温度较高,可能被熔化为若干更小的晶核,由此增加了液态金属中晶核的数目,从而形成等轴晶组织。系统研究了浇注后不同冷却阶段脉冲磁致振荡处理对纯铝凝固组织的影响。实验结果显示,在脉冲磁致振荡孕育处理、脉冲磁致振荡凝固处理以及脉冲磁致振荡全程处理三种技术条件下,后两者对纯铝组织的细化效果较佳,可以获得细小等轴晶。通过隔离网实验发现,明显的组织细化效果出现在靠近处理表面的隔离网外区域,而隔离网内熔体的凝固组织没有明显变化。由此得出振荡细化核心的来源是振荡处理时从处理区域表面的型壁上异质形核后脱落的晶核,也即振荡产生的结晶雨作用。通过系统的实验建立了平均晶粒尺寸与脉冲磁致振荡参数的定量关系,证明脉冲磁致振荡的表面振动以及振荡波的传播所产生的声压是晶核迁移的动力。通过对不同屏蔽条件的熔体施加脉冲磁致振荡,发现当凝固外壳或铸型的电导率较凝固熔体小时,其对脉冲磁致振荡的屏蔽作用是较小的,当凝固外壳或铸型的电导率较凝固熔体大时,将对脉冲磁致振荡形成一定的屏蔽作用,但如果适当提高脉冲磁致振荡的处理强度,也能产生较好的细化效果。研究表明,脉冲磁致振荡能够明显细化锡锑合金的凝固组织,使晶粒尺寸变小,同时减弱了宏观偏析。对脉冲磁致振荡作用下锡锑合金凝固组织中β相的研究表明,铸锭中的β相在脉冲磁致振荡作用下尺寸变小,而且脉冲磁致振荡强度越高,晶粒尺寸减小越显著,晶粒数量增多,分布弥散。说明脉冲磁致振荡可以促进晶核增殖,从而大大细化组织。脉冲磁致振荡对铁素体不锈钢凝固组织具有显著细化作用。在一定的范围内增大处理频率和强度参数,脉冲磁致振荡对铁素体不锈钢凝固组织的细化效果及等轴晶区面积迅速递增。在适当的参数条件下等轴晶区比例可以达到100%。当脉冲磁致振荡参数过大时,由于焦耳热过大,铁素体不锈钢凝固组织细化效果反而变差。通过脉冲磁致振荡作用下的定向凝固实验研究,发现在同一温度梯度和晶体生长速度下,随着磁致振荡强度的增加,铝铜合金定向凝固组织中的柱状晶数增多,柱状晶一次枝晶间距变小。实验发现,脉冲磁致振荡可以加速固液界面的平界面(?)胞状界面(?)胞枝界面的转化。分析认为导致界面失稳的主要原因是由脉冲磁致振荡产生的剪切力对柱状晶的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 本文的主要创新点
• 第一章 资料综述
• 1.1 金属凝固细晶方法
• 1.1.1 浇注过程和传热条件控制方法
• 1.1.2 化学处理方法
• 1.1.3 微区成分扰动生核处理方法
• 1.1.4 物理处理方法
• 1.2 金属在物理场中的凝固
• 1.2.1 金属在电流作用下的凝固
• 1.2.2 金属在磁场中的凝固
• 1.2.3 金属在磁场+电流复合场中的凝固
• 1.3 物理场作用下合金的定向凝固研究
• 1.3.1 脉冲电流在定向凝固过程中的应用
• 1.3.2 脉冲磁场在定向凝固过程中的应用
• 1.4 本课题研究内容及选题意义
• 第二章 实验设备及研究方案
• 2.1 脉冲磁致振荡电源
• 2.1.1 脉冲电源
• 2.1.2 脉冲磁致振荡凝固实验线圈
• 2.1.3 EMV单向凝固实验台
• 2.2 实验内容
• 2.3 技术路线
• 第三章 脉冲磁致振荡对液态金属的作用
• 3.1 电磁波在导体附近的传播
• 3.1.1 自由电荷在导体内的分布
• 3.1.2 电磁波在导体内的传播
• 3.1.3 穿透深度和趋肤效应
• 3.1.4 电磁波在导体表面的反射
• 3.1.5 高频下良导体的表面电阻
• 3.1.6 电磁波在不同电导率导体界面上的透射
• 3.2 脉冲磁致振荡作用下熔体中晶核运动分析
• 3.2.1 熔体表面附近单个自由晶核的运动
• 3.2.2 凝固过程中界面处晶核的运动
• 3.2.3 凝固过程中趋肤深度外熔体中晶核的运动
• 3.2.4 脉冲磁致振荡下金属内部的凝固
• 3.3 小结
• 第四章 脉冲磁致振荡下纯金属凝固组织细化及凝固特性研究
• 4.1 脉冲磁致振荡有效作用时间段研究
• 4.1.1 实验材料及实验方案
• 4.1.2 实验结果
• 4.1.3 讨论
• 4.2 脉冲磁致振荡晶核来源研究
• 4.2.1 材料选择及实验方案
• 4.2.2 横向置网实验
• 4.2.3 纵向置网实验
• 4.2.4 实验结果分析
• 4.3 脉冲磁致振荡处理条件下纯铝凝固过程及组织的分析
• 4.3.1 实验过程及实验结果
• 4.3.2 不同实验参数对纯铝凝固过程和凝固组织的影响
• 4.3.3 分析讨论
• 4.4 屏蔽条件对脉冲磁致振荡处理的影响
• 4.4.1 石墨型容器对脉冲磁致振荡处理的影响
• 4.4.2 凝固外壳对脉冲磁致振荡凝固组织的影响
• 4.5 小结
• 第五章 脉冲磁致振荡下合金凝固组织细化和特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 脉冲磁致振荡下Sn-10.4%Sb合金凝固组织
• 5.2.1 实验过程及结果
• 5.2.2 脉冲磁致振荡作用下Sn-10.4%Sb合金的组织
• 5.2.3 实验结果分析
• 5.3 脉冲磁致振荡对铁素体不锈钢凝固组织及特性的影响
• 5.3.1 铁素体不锈钢实验及结果
• 5.3.2 脉冲磁致振荡对铁素体不锈钢宏观组织的影响
• 5.4 小结
• 第六章 脉冲磁致振荡对晶体生长过程的影响
• 6.1 实验材料及实验设备
• 6.2 温度梯度G的测定
• 6.3 铝铜合金定向凝固组织特征
• 6.3.1 铝铜合金定向凝固组织的生长稳定性
• 6.3.2 传统定向凝固固液界面形态
• 6.4 脉冲磁致振荡下铝铜合金定向凝固组织及固液界面形态
• 6.4.1 脉冲磁致振荡对铝铜合金定向凝固组织的影响
• 6.4.2 脉冲磁致振荡峰值电流对固液界面形态的影响
• 6.4.3 脉冲磁致振荡对一次枝晶间距的影响
• 6.5 脉冲磁致振荡处理频率对固液界面形态和稳定性的影响
• 6.6 脉冲磁致振荡对固液界面形态的影响机制
• 6.7 小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间取得的成果
• 致谢