外磁場對定向凝固枝晶組織形貌的影響論文

時(shí)間：2023-05-01 06:40:10 論文范文我要投稿

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外磁場對定向凝固枝晶組織形貌的影響論文

　　摘要：合金在外加穩(wěn)恒橫向磁場下的水平定向凝固過程中，改變外加磁場強(qiáng)度和固液界面

外磁場對定向凝固枝晶組織形貌的影響論文

　　移動(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)；水平定向凝固；穩(wěn)恒橫向強(qiáng)磁場；一次臂間距

　　Abstract

　　Al-4.0%Cu、Al-11%Si alloy is solidified under transverse static magnetic field at horizonatl directional

　　solidify device. The measured prime dendritic spacing, increasingly, oscilate with magnetic field intensity and dragging speed of solid-melt interface. The oscilation is caused by TEMHD and MHD.

　　Keywords: thermoelectric magnetohydrodynamic effect;

　　1. 引言

　　隨著電磁冶金技術(shù)、磁流體動(dòng)力學(xué)理論的不斷發(fā)展，利用外加磁場控制金屬凝固過程中的熱量、質(zhì)量、動(dòng)量傳輸及液態(tài)金屬成型過程得到人們的廣泛重視。對于多相合金，溫度梯度、熱電能差及熱電效應(yīng)將對金屬凝固過程產(chǎn)生多方面影響。對于任意合金凝固過程，只要存在不同溫度梯度和不同相之間的熱電能差，Seebeck 效應(yīng)就將發(fā)揮作用進(jìn)而產(chǎn)生電動(dòng)力 emf[1]，emf = - Sth×Gradient(T) ，其中，Sth 為熱電能，表明材料熱電能力的大小，同種材料固相的熱電能大于液相；合金中導(dǎo)電能力大的成分含量越多的相，熱電能越大。該電動(dòng)力（即電場）推動(dòng)電荷運(yùn)動(dòng)形成熱電流 Jth，Jth/σ=-Sth×Gradient(T)。當(dāng)把外加磁場施加到合金凝固體系中時(shí)，外加磁場與速度場、熱電流場復(fù)合將對糊狀區(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)

　　（TEHHD）[2]，形成熱電磁流體速度場（Jth×B）；另一方面，外加磁場與僅由溫度梯度形成的液相對流速度場及新形成的熱電磁流體速度場復(fù)合作用，產(chǎn)生抑止流體運(yùn)動(dòng)的磁制動(dòng)效應(yīng)

　　（MHD）[3]，制動(dòng)力大小分別與 V×B 和 Jth×B×B 的大小相對應(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 MHD 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的確定，將成為實(shí)際利用外磁場控制金屬凝固過程首要解決的問題。

　　同時(shí)，TEHHD 與 MHD 的交互作用否存在相對穩(wěn)定階段以便于人為控制結(jié)晶組織形貌，也

　　需要我們對其進(jìn)行研究和驗(yàn)證。

　　2. 實(shí)驗(yàn)方法

　　將 Al-4.0%Cu、Al-11%Si 合金加工成 φ14×140 mm 的試樣，每次取用 1 個(gè)裝在 φ16（內(nèi) 徑）×150 mm 石英坩堝內(nèi)，兩側(cè)用石墨短棒封堵。安裝坩堝到如下圖 1 所式的水平定向凝固裝置上。開啟加熱系統(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統(tǒng)水平右移，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。在此過程的同時(shí)，施加橫向穩(wěn)恒磁場。這樣，通過控制水平牽引速度、外加磁場強(qiáng)度參數(shù)，多組不同速

　　圖 1 水平定向凝固裝置結(jié)構(gòu)示意圖

　　度、磁場條件的試樣被制備出來。經(jīng)過對試樣的金相分析測量，繪制得出一次臂間距隨

　　外磁場強(qiáng)度、水平牽引速度的關(guān)系圖，用以分析探索熱電磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)在合金定向凝固過程的作用及影響。

　　3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　通過對 Al-4.0%Cu 合金定向凝固條件下的實(shí)驗(yàn)，測得其一次枝晶臂間距隨外加磁場強(qiáng)度變化的數(shù)據(jù)并繪制出相應(yīng)變化曲線如下圖 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 25m/s 時(shí)，一次臂間距隨外磁場的增大先增大后減小，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)小于未加磁場時(shí)的情況。隨著牽引速度的增大，參看 40、50、70、100m/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增大而不斷增大，但增大過程是反復(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。

　　對于 Al-11%Si 合金，參見右圖 3，在牽引速度較小的 20m/s 時(shí)，一次臂間距隨外加磁場增大呈現(xiàn)波動(dòng)反復(fù)現(xiàn)象，在經(jīng)歷了最初一段相對穩(wěn)定階段后一次臂間距開始增大，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 30m/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 v50m/s 和 v70m/s 兩條曲線，一次臂間距隨著外磁場的增大出現(xiàn)先增大

　　圖 3 一次臂間距與勵(lì)磁電流的關(guān)系

　　出現(xiàn)最大值然后不斷減小。特別是 v70m/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%Cu 合金縱剖金相照片（×100）見表 1。

　　各組 Al-11%Si 合金各組縱剖金相照片（×50）見表 2。

　　4. 分析討論

　　為了克服傳統(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冷影響，本實(shí) 驗(yàn)設(shè)計(jì)了專門的水平定向凝固裝置，采用長寬比為 10 的預(yù)制試樣，金相觀察面控制在試樣中段、過軸心的縱向

　　垂直剖面上。在固液界面前沿溫度梯度恒定（30℃/mm）條件、合金成分配比合理的條件下， Al-4.0%Cu 合金、 Al-11%Si 合金最終凝固組織均為樹枝晶。枝晶間距（即一次臂間距）受固液界面移動(dòng)速度、外磁場

　　圖 4 外加磁場與勵(lì)磁電流關(guān)系

　　條件共同控制。對于外加磁場與勵(lì)磁電流關(guān)系可以查看右圖 4。

　　參考安閣英—?jiǎng)⒄玛P(guān)于一次枝晶臂間距的表達(dá)式[3]

　　l2 = 8 2D L /(G Rr )

　　式中：λ1——一次枝晶臂間距，mm；

　　r——枝晶端部曲率半徑，mm；

　　R——枝晶生長速度，mm/s； DL——溶質(zhì)元素的液相擴(kuò)散系數(shù)，mm2/s； GL——溫度梯度，℃/cm；

　　——表面張力常數(shù)，它與界面能 σ 和熔化比熵 s 的關(guān)系為 =σ/s；

　　L——系統(tǒng)長度。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)度不變時(shí)，次枝晶臂間距隨牽引速度 R 增大而變小；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?/p>

　　電磁制動(dòng)效應(yīng)與粘性力的比值用 Ha = s BL 表示[4]，P.Lehmann 等指出在 L＞10-2m、mB=1 T 時(shí) Ha 大致在 150 左右。此時(shí)電磁制動(dòng)力足夠大以至液相區(qū)的自然對流會(huì)被完全抑制。對于糊狀區(qū)，參考實(shí)驗(yàn)測得的一次臂間距驗(yàn)算得到其 Ha 在 7~10 左右，即對流不能被完全抑制而會(huì)隨 MHD 和 TEMHD 效應(yīng)強(qiáng)弱不斷變化波動(dòng)，這與實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)結(jié)果是相符的。何樹紅[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（MHD）存在唯一周期解。依據(jù) N-S 方程+傳輸方程求解的液相區(qū)（糊狀區(qū)）對流曲線也反映了動(dòng)量傳輸?shù)牟▌?dòng)性[6]。

　　對于 Al-4.0%Cu 合金，在牽引速度為 25m/s 時(shí)一次臂間距隨外磁場增加先增大后減小的原因，可以從 TEHHD 與 MHD 效應(yīng)發(fā)揮作用主次不同上加以理解。在曲線上升段，外磁場強(qiáng)度較小，MHD 的 Jth×B×B 項(xiàng)相對 V×B 項(xiàng)小很多，MHD 僅抑制了液相中由于溫度梯度引起的對流傳質(zhì)而對 TEHHD 不起作用。故一次臂間距在熱電磁對流速度場（Jth×B）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達(dá)到最大值。其后，隨著外磁場的進(jìn)一步增大，Jth×B×B 項(xiàng)開始發(fā)揮作用，熱電磁流體速度場開始不斷減弱，曲線下降。牽引速度為 40、50m/s 兩條曲線初始段一次臂間距隨外磁場增加而減小，是由于牽引速度進(jìn)一步增大不可避免的引起擾動(dòng)增強(qiáng)，此時(shí)外磁場較弱，TEMHD 進(jìn)一步增加了對流傳質(zhì)。兩條曲線隨后都出現(xiàn)震蕩波動(dòng)增大現(xiàn)象，這是外磁場增大引起的熱電磁對流增強(qiáng)和 MHD 抑制對流此消彼長反復(fù)成為主導(dǎo)因素的結(jié)果。70、100m/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 MHD 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、MHD 以及磁場對速度增量、電流增量的作用都是在動(dòng)態(tài)過程中連續(xù)進(jìn)行的，所以不同牽引速度下的 λ1 曲線出現(xiàn)交叉現(xiàn)象和峰值錯(cuò)位現(xiàn)象就可以理解了。對于熱電能差較大的 Al-11%Si 合金，除由于 Jth×B×B 項(xiàng)較大（由于 Jth 較大）引起初始段曲線隨磁場保持較慢增長（甚至水平不變）外，其他現(xiàn)象與 Al-4.0%Cu 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%Cu、Al-11%Si 合金在橫向磁場下水平定向凝固過程中，受到外加磁場、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 TEMHD 效應(yīng)發(fā)揮主導(dǎo)作用的條件下，一次臂間距增大；在 MHD 效應(yīng)發(fā)揮主導(dǎo)作用的條件下，一次臂間距減小。正是外加磁場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增大引起的 TEMHD 效應(yīng)增強(qiáng)而增大的。對于任意非單相合金，只要外磁場強(qiáng)度足夠大、磁場方向控制合理，可以在一定范圍內(nèi)通過人為改變外磁場而控制晶粒尺寸和晶粒方向。

　　參考文獻(xiàn)

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