外磁場對定向凝固枝晶組織形貌的影響

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)恒橫向磁場下的程度定向凝固過程中，改變外加磁場強度和固液界面挪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效應與電磁制動效應共同作用的結(jié)果。關(guān)鍵詞：熱電磁流體動力學效應；程度定向凝固；穩(wěn)恒橫向強磁場；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)、磁流體動力學理論的不斷開展，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，seebek效應就將發(fā)揮作用

3、進而產(chǎn)生電動力ef1，ef=-sthgradient(t)，其中，sth為熱電能，說明材料熱電才能的大小，同種材料固相的熱電能大于液相；合金中導電才能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/=-sthgradient(t)。當把外加磁場施加到合金凝固體系中時，外加磁場與速度嘗熱電流場復合將對糊狀區(qū)枝晶網(wǎng)絡及固液界面前沿產(chǎn)生復雜的作用和影響。一方面，外磁場與熱電流復合產(chǎn)生推動溶質(zhì)運動的熱電磁流體動力學效應tehhd2，形成熱電磁流體速度場jthb；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合作用，產(chǎn)生抑止流體運動

4、的磁制動效應hd3，制動力大小分別與vb和jthbb的大小相對應，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hd哪一個發(fā)揮主要作用及其發(fā)揮主要作用的控制條件確實定，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hd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，也需要我們對其進展研究和驗證。2.實驗方法將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

5、統(tǒng)程度右移，使試樣在固定不動的情況下由左到右依次進入冷卻系統(tǒng)經(jīng)歷降溫冷卻過。在此過程的同時，施加橫向穩(wěn)恒磁常這樣，通過控制程度牽引速度、外加磁場強度參數(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度、程度牽引速度的關(guān)系圖，用以分析探究熱電磁流體動力學效應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%u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度變化的數(shù)據(jù)并繪制出相應變化曲線如下列圖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25/s時，一次臂間距隨外磁場的增大先增大后減

6、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、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增大而不斷增大，但增大過程是反復波動的，每次出現(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20/s時，一次臂間距隨外加磁場增大呈現(xiàn)波動反復現(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場增大，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，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的增大出現(xiàn)先增大圖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.分析討論為了克制傳統(tǒng)垂直定向凝固實驗中較重成分沉積于固液界面造成的成分過冷影響，本實驗設計了專門的程度定向凝固裝置，采用長寬比為10的預制試樣，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/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枝晶。枝晶間距即一次臂間距受固液界面挪動速度、外磁場圖4外加磁場與勵磁電流關(guān)系條件共同控制。對于外加磁場與勵磁電流關(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枝晶生長速度，/s；dl溶質(zhì)元素的液相擴散系數(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)元素的液相擴散系數(shù)直接相關(guān)，在凝固速度、溫度梯度增加均會使一次臂間距變細。在溫度梯度gl、磁感應強度不

9、變時，次枝晶臂間距隨牽引速度r增大而變??；在同一牽引速度下，隨著動量傳輸增大會引起溶質(zhì)元素擴散系數(shù)增大，一次枝晶臂間距隨動量傳輸?shù)淖兓兓?。電磁制動效應與粘性力的比值用ha=sbl表示4，p.lehann等指出在l10-2、b=1t時ha大致在150左右。此時電磁制動力足夠大以致液相區(qū)的自然對流會被完全抑制。對于糊狀區(qū)，參考實驗測得的一次臂間距驗算得到其ha在710左右，即對流不能被完全抑制而會隨hd和tehd效應強弱不斷變化波動，這與實驗測得的數(shù)據(jù)結(jié)果是相符的。何樹紅5從數(shù)學角度已經(jīng)證實了三維有界區(qū)域內(nèi)磁流體動力學方程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)對流曲線也

10、反映了動量傳輸?shù)牟▌有?。對于al-4.0%u合金，在牽引速度為25/s時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hd效應發(fā)揮作用主次不同上加以理解。在曲線上升段，外磁場強度較小，hd的jthbb項相對vb項小很多，hd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jthb不斷增大引起溶質(zhì)傳輸不斷增強的影響下不斷增大直至到達最大值。其后，隨著外磁場的進一步增大，jthbb項開場發(fā)揮作用，熱電磁流體速度場開場不斷減弱，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增加而減小，是由于牽引速度進一步增大不可防止的

11、引起擾動增強，此時外磁場較弱，tehd進一步增加了對流傳質(zhì)。兩條曲線隨后都出現(xiàn)震蕩波動增大現(xiàn)象，這是外磁場增大引起的熱電磁對流增強和hd抑制對流此消彼長反復成為主導因素的結(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，而即進入震蕩波動增加階段。另外，考慮到tehhd、hd以及磁場對速度增量、電流增量的作用都是在動態(tài)過程中連續(xù)進展的，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jthbb項較大由于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)論綜合以上實驗分析，我們不難發(fā)現(xiàn)：al-4.0%u、al-11%si合金在橫向磁場下程度定向凝固過程中，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)震蕩波動增加現(xiàn)象。在tehd效應發(fā)揮主導作用的條件下，一次臂間距增大；在hd效應發(fā)揮主導作用的條件下，一次臂間距減校正是外加磁場引起的兩種相反效果的效應反復發(fā)揮主要作用，一次臂間距出現(xiàn)震蕩波動。但總體看一次臂間距是隨外磁場增大引起的tehd效應增強而增大的。對于任意非單相合金，只要外磁場強度足夠大、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1p.lehann.etal./jurnalfrystal183(1998)690-7042y.y.khineetal/juralfrystalgrth212(2000).1998,584