外磁場對定向凝固枝晶組織形貌的影響

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1、外磁場對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)度和固液界面移動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)震蕩波動增大現(xiàn)象，這種起伏波動是熱電磁流體動力學(xué)效應(yīng)與電磁制動效應(yīng)共同作用的結(jié)果。關(guān)鍵詞：熱電磁流體動力學(xué)效應(yīng)；水平定向凝固；穩(wěn)恒橫向強(qiáng)磁場；一次臂間距AbstractAl-4.0%Cu、Al-11%Sialloyissolidifiedundertransversestaticmagicfieldathorizonatldirectionalsolidifydevic

2、e.Themeasuredprimedendriticspacing,increasingly,oscilateagicfieldintensityanddraggingspeedofsolid-meltinterface.TheoscilationiscausedbyTEMHDandMHD.Keyoelectricmagohydrodynamiceffect;1.引言隨著電磁冶金技術(shù)、磁流體動力學(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

3、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。該電動力（即電場）推動電荷運動形成熱電流Jth，Jth/σ=-Sth×Gradient(T)。當(dāng)把外加磁場施加到合金凝固體系中時，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)生推動溶質(zhì)運動

4、的熱電磁流體動力學(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)生抑止流體運動的磁制動效應(yīng)（MHD）[3]，制動力大小分別與V×B和Jth×B×B的大小相對應(yīng)，第1項與B成正比，第2項與B2成正比。那么在某一特定凝固條件下TEHHD與MHD哪一個發(fā)揮主要作用及其發(fā)揮主要作用的控制條件的確定，將成為實際利用外磁場控制金屬凝固過程首要解決的問題。同時，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)行研究和驗證。2.

5、實驗方法將Al-4.0%Cu、Al-11%Si合金加工成φ14×140mm的試樣，每次取用1個裝在φ16（內(nèi)徑）×150mm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，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

6、，用以分析探索熱電磁流體動力學(xué)效應(yīng)在合金定向凝固過程的作用及影響。3.實驗結(jié)果通過對Al-4.0%Cu合金定向凝固條件下的實驗，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2一次臂間距與勵磁電流的關(guān)系在牽引速度較小的25µm/s時，一次臂間距隨外磁場的增大先增大后減小，在勵磁電流為50A時出現(xiàn)最大值，隨后不斷減小甚至出現(xiàn)小于未加磁場時的情況。隨著牽引速度的增大，參看40、50、70、100µm/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)波動的，每

7、次出現(xiàn)極大值后必然僅隨出現(xiàn)一個極小值。對于Al-11%Si合金，參見右圖3，在牽引速度較小的20µm/s時，一次臂間距隨外加磁場增大呈現(xiàn)波動反復(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30µm/s時，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v50µm/s和v70µm/s兩條曲線，一次臂間距隨著外磁場的增大出現(xiàn)先增大

8、圖3一次臂間距與勵磁電流的關(guān)系出現(xiàn)最大值然后不斷減小