工程科学学报，第39卷，第12期：1828-1834,2017年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.12:1828-1834,December 2017 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2017.12.008;http://journals..ustb.edu.cn 铝合金表面脉冲电磁场对半连续铸造晶粒的细化 白庆伟，麻永林区，邢淑清，冯艳飞，鲍鑫宇，于文霞 内蒙古科技大学材料与治金学院，包头014010 ☒通信作者，E-mail:malin@imust.cn 摘要采用一种新型熔体表面脉冲电磁技术对704铝合金半连续铸造凝固组织细化处理，分析脉冲电磁场对凝固组织及 性能的影响.引入势能的观点，探讨脉冲磁能作用下的晶体形核动力学及初生晶核运动形式.结果表明，经表面脉冲电磁场 处理后，凝固组织由晶粒尺寸粗大的玫瑰结构转变为细小且圆整的球状结构，铸锭心部及边部晶粒尺寸分别下降22.7%和 14.2%,强度、塑性均有提高.动力学分析认为，脉冲电磁能降低体系形核所需的临界吉布斯自由能是增加形核率的重要原 因，同时可导致初生a一A1运动的势能增加，促使初生α一A1颗粒优先到达稳定位置 关键词晶粒细化：脉冲电磁场；形核率；磁势能 分类号TF821 Refining of a DC-casting aluminum alloy structure using surface electromagnetic pulsing BAI Qing-ei,MA Yong-lin,XING Shu-ging,FENG Yan-fei,BAO Xin-yu,YU Wen-xia School of Material and Metallurgy,Inner Mongolia University of Science Technology,Baotou 014010,China Corresponding author,E-mail:malin@imust.cn ABSTRACT A new technique termed surface electromagnetic pulse refining was developed for improving the solidified structure of a 7A04 aluminum alloy DC-easting.The effect of the pulsed electromagnetic field on the solidified microstructure and properties of the alloy was investigated.From the viewpoint of potential energy,the dynamics of forming nucleus and the grain motion were theoretically predicted based on the concepts of the action of the pulsed electromagnetic energy on the melt or particles.The experimental results in- dicate that the solidified structures are modified by the electromagnetic pulse from rose-like structures to globular structures with a fine grain size.The grain size in the edge zone and central zone of the billet is decreased by 22.7%and 14.2%,respectively,and the strength and plasticity of the alloy are also increased.The grain refinement can be explained by the nucleation rate increases,because the electromagnetic energy helps to decrease the critical Gibbs free energy of the system.In addition,the electromagnetic pulse ap- pears to increase potential energy of the primary a-Al,which quickly attains a steady state in the melt. KEY WORDS grain refinement;pulse electromagnetic field:nucleation rate:magnetic potential energy 超硬铝7A04合金在重熔及再热加工时具有组织 固组织晶粒尺寸、改善晶体形貌可有效提高铸锭的加 遗传性口，致使材料服役时的疲劳强度、抗拉强度、应 工成型性能，也是实现均质化的最有效途径.向熔体 力腐蚀等性能与铸锭质量直接相关.有研究表明， 中添加细化剂（如：Al-Ti-B、A1-TiC等）能获得高等 晶粒尺寸对形变的影响是通过滑移和孪生机制的竞争 轴晶率，但在实现组织细化的同时，细化剂往往会与铝 关系来实现的，随着晶粒尺寸增大，热挤压组织的动态 合金中的M、Zr等元素发生中毒反应，降低多元系合 再结晶体积分数明显降低.所以，降低7A04合金凝 金的细化效率及合金纯度.在过去的十几年间，出现 收稿日期：201705-03 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51044002)：科技部国际合作资助项目(2010DFB70630)
工程科学学报，第 39 卷，第 12 期: 1828--1834，2017 年 12 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 39，No． 12: 1828--1834，December 2017 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2017． 12． 008; http: / /journals． ustb． edu． cn 铝合金表面脉冲电磁场对半连续铸造晶粒的细化 白庆伟，麻永林，邢淑清，冯艳飞，鲍鑫宇，于文霞 内蒙古科技大学材料与冶金学院，包头 014010 通信作者，E-mail: malin@ imust． cn 摘 要 采用一种新型熔体表面脉冲电磁技术对 7A04 铝合金半连续铸造凝固组织细化处理，分析脉冲电磁场对凝固组织及 性能的影响． 引入势能的观点，探讨脉冲磁能作用下的晶体形核动力学及初生晶核运动形式． 结果表明，经表面脉冲电磁场 处理后，凝固组织由晶粒尺寸粗大的玫瑰结构转变为细小且圆整的球状结构，铸锭心部及边部晶粒尺寸分别下降 22. 7% 和 14. 2% ，强度、塑性均有提高． 动力学分析认为，脉冲电磁能降低体系形核所需的临界吉布斯自由能是增加形核率的重要原 因，同时可导致初生 α--Al 运动的势能增加，促使初生 α--Al 颗粒优先到达稳定位置． 关键词 晶粒细化; 脉冲电磁场; 形核率; 磁势能 分类号 TF821 Ｒefining of a DC-casting aluminum alloy structure using surface electromagnetic pulsing BAI Qing-wei，MA Yong-lin ，XING Shu-qing，FENG Yan-fei，BAO Xin-yu，YU Wen-xia School of Material and Metallurgy，Inner Mongolia University of Science ＆ Technology，Baotou 014010，China Corresponding author，E-mail: malin@ imust． cn ABSTＲACT A new technique termed surface electromagnetic pulse refining was developed for improving the solidified structure of a 7A04 aluminum alloy DC-casting． The effect of the pulsed electromagnetic field on the solidified microstructure and properties of the alloy was investigated． From the viewpoint of potential energy，the dynamics of forming nucleus and the grain motion were theoretically predicted based on the concepts of the action of the pulsed electromagnetic energy on the melt or particles． The experimental results indicate that the solidified structures are modified by the electromagnetic pulse from rose-like structures to globular structures with a fine grain size． The grain size in the edge zone and central zone of the billet is decreased by 22. 7% and 14. 2% ，respectively，and the strength and plasticity of the alloy are also increased． The grain refinement can be explained by the nucleation rate increases，because the electromagnetic energy helps to decrease the critical Gibbs free energy of the system． In addition，the electromagnetic pulse appears to increase potential energy of the primary α--Al，which quickly attains a steady state in the melt． KEY WOＲDS grain refinement; pulse electromagnetic field; nucleation rate; magnetic potential energy 收稿日期: 2017--05--03 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51044002) ; 科技部国际合作资助项目( 2010DFB70630) 超硬铝 7A04 合金在重熔及再热加工时具有组织 遗传性［1］，致使材料服役时的疲劳强度、抗拉强度、应 力腐蚀等性能与铸锭质量直接相关． 有研究表明［2--4］， 晶粒尺寸对形变的影响是通过滑移和孪生机制的竞争 关系来实现的，随着晶粒尺寸增大，热挤压组织的动态 再结晶体积分数明显降低［5］． 所以，降低 7A04 合金凝 固组织晶粒尺寸、改善晶体形貌可有效提高铸锭的加 工成型性能，也是实现均质化的最有效途径． 向熔体 中添加细化剂( 如: Al--Ti--B、Al--Ti--C 等) 能获得高等 轴晶率，但在实现组织细化的同时，细化剂往往会与铝 合金中的 Mn、Zr 等元素发生中毒反应，降低多元系合 金的细化效率及合金纯度． 在过去的十几年间，出现
白庆伟等：铝合金表面脉冲电磁场对半连续铸造晶粒的细化 ·1829· 一系列新颖的技术通过对熔体凝固过程引入适当的搅 强制对流及焦耳热效应对熔体影响较小 拌或波动来实现晶粒细化，例如：超声波处理、电脉 表1试验材料的化学成分（质量分数） 冲技术切、电磁搅拌圆、电磁振荡技术)等.但在铝合 Table 1 Chemical composition of the base metal % 金半连续铸造(direct chill casting)生产中，由于特定的 Cu Mg Zn Ti 磁场施加方式、凝固条件及大截面铸锭尺寸等因素限 0.09 1.92 2.45 5.22 0.04 余量 制以上技术的应用 接近液相线温度的金属熔体由具有一定尺寸和稳 铝合金熔体经电阻炉加热至730℃保温0.5h后 定性的原子团簇和液态原子构成，在液相阶段（孕育 进行浇铸，经流槽先后进入石墨环及结晶器水冷凝固. 期)施加电场或磁场能引起电子层结构畸变，促使原 圆柱铸锭直径为210mm,铸造速度为68mm'minl,冷 子团簇结合孕育出大量晶核来细化组织@.i等四 却水量为18m3h,冷却水温度为19℃.铸造时需保 通过网罩凝固试验证明电磁能可以抵消部分表面能， 证电磁脉冲处理位置附近熔体温度为660℃，待浇铸 导致形核率增加是晶粒细化的重要原因.本研究基于 温度稳定后施加脉冲电磁场.根据前期研究，选取最 脉冲电磁场瞬时产生较高电磁能的特性，将熔体表面 优电特性参数进行试验：磁感应强度为0.153T,脉冲 脉冲磁场处理技术应用于7A04铝合金半连续铸造过 频率为20Hz,单向脉冲占空比为20%.浇铸完成后， 程中，利用脉冲电磁场形成的高能渗入熔体及初生相 取同一批次施加磁场与未施加磁场的铸锭截面试样进 特殊的运动状态促使晶粒细化.同时顶置磁场设计有 行组织观察及力学性能测试.取得良好的表面脉冲电 效地削弱焦耳热、电磁力等因素对凝固界面的影响，较 磁场处理效果需满足以下条件：(1)熔体具有较低过 为直接地研究电磁能在凝固过程中的作用.通过分析 热度，(2)有效的脉冲磁场处理工艺，(3)适当的熔体 铸锭的凝固组织及性能，考察表面脉冲电磁场处理技 处理时间 术在铝合金半连续铸造中应用的可行性.探讨电磁能 2 试验结果 对形核动力学、初生晶核运动形式的影响，为表面脉冲 电磁场处理技术改善凝固组织的机理提供理论支持. 分别对7A04铝合金铸锭截面心部及边部组织进 行观察，如图2所示.未施加脉冲磁场的凝固组织多 1试验装置及过程 呈带有一次枝晶的玫瑰状结构，心部晶粒尺寸较边部 本试验在某铝业公司的8流DC铸机上进行，对 明显粗大，导致径向截面组织均匀性差.施加脉冲磁 其中一流进行表面电磁场处理，如图1所示.试验装 场后，铸锭心部及边部组织均显著细化，心部由77.7 置由电阻炉、浇注盘、石墨环、结晶器、引锭装置、脉冲 降低到60.1μm;边部由59.2减低到50.8μm,晶粒尺 电源、表面脉冲发生器（中空水冷感应线圈及铁芯）等 寸分别下降了22.7%和14.2%.凝固组织形貌由玫 瑰状转变为圆整的等轴晶，截面径向组织均匀性较好， 构成.将脉冲发生器置于浇铸口位置正上方且与熔体 在铸造过程中向铸锭心部插入热电偶测定凝固冷却曲 表面间距小于10mm.表面脉冲发生器无需对DC连 线如图3所示.由于半连续铸造过程中采用低温浇铸 铸机进行大幅度改造，在不破坏熔体表面氧化膜的同 时对内部金属进行处理.试验材料为超硬铝7A04,其 技术，脉冲电磁场处理位置温度为接近液相线温度的 660℃，暂不对凝固开始温度分析.施加脉冲磁场后， 化学成分如表1所示.与在凝固前沿进行电磁处理相 凝固结束温度较传统铸造高6℃，电磁处理阻碍凝固 比较团，该设计的洛伦兹力引起微弱的表面振动，而 60 mm 温度下降 铁芯 晶粒尺寸降低的重要原因之一是形核率提高.脉 线图 冲电磁处理引发较高的形核率，在结晶潜热释放时致 熔体 使铸造凝固温度升高.此外，铝的固一液界面属于非小 石墨环 平面的粗糙界面，在界面上某一局部生长较快，形成突 水冷装置 出的尖端并深入到过冷度更大的合金熔体中，易产生 糊状区 枝晶.而初生α一A1在磁场作用下运动形式产生变化， 210 mm 发生旋转国、碰撞等概率增加，体系温度梯度降低，抑 一铸锭 制枝晶生长 -引锭装置 对7A04铝合金铸态组织进行力学性能测试结果 图1表面脉冲电磁场半连续铸造装置示意图 如图4所示.未施加磁场时，7A04铝合金抗拉强度与 Fig.1 Schematic of the apparatus used for DC casting with a surface 硬度分别为255MPa和HV99.45,在表面脉冲处理后 electromagnetic pulse 抗拉强度提高约20MPa,硬度提升约HV10.从试样
白庆伟等: 铝合金表面脉冲电磁场对半连续铸造晶粒的细化 一系列新颖的技术通过对熔体凝固过程引入适当的搅 拌或波动来实现晶粒细化，例如: 超声波处理［6］、电脉 冲技术［7］、电磁搅拌［8］、电磁振荡技术［9］等． 但在铝合 金半连续铸造( direct chill casting) 生产中，由于特定的 磁场施加方式、凝固条件及大截面铸锭尺寸等因素限 制以上技术的应用． 接近液相线温度的金属熔体由具有一定尺寸和稳 定性的原子团簇和液态原子构成，在液相阶段( 孕育 期) 施加电场或磁场能引起电子层结构畸变，促使原 子团簇结合孕育出大量晶核来细化组织［10］． Li 等［11］ 通过网罩凝固试验证明电磁能可以抵消部分表面能， 导致形核率增加是晶粒细化的重要原因． 本研究基于 脉冲电磁场瞬时产生较高电磁能的特性，将熔体表面 脉冲磁场处理技术应用于 7A04 铝合金半连续铸造过 程中，利用脉冲电磁场形成的高能渗入熔体及初生相 特殊的运动状态促使晶粒细化． 同时顶置磁场设计有 效地削弱焦耳热、电磁力等因素对凝固界面的影响，较 为直接地研究电磁能在凝固过程中的作用． 通过分析 铸锭的凝固组织及性能，考察表面脉冲电磁场处理技 术在铝合金半连续铸造中应用的可行性． 探讨电磁能 对形核动力学、初生晶核运动形式的影响，为表面脉冲 电磁场处理技术改善凝固组织的机理提供理论支持． 图 1 表面脉冲电磁场半连续铸造装置示意图 Fig． 1 Schematic of the apparatus used for DC casting with a surface electromagnetic pulse 1 试验装置及过程 本试验在某铝业公司的 8 流 DC 铸机上进行，对 其中一流进行表面电磁场处理，如图 1 所示． 试验装 置由电阻炉、浇注盘、石墨环、结晶器、引锭装置、脉冲 电源、表面脉冲发生器( 中空水冷感应线圈及铁芯) 等 构成． 将脉冲发生器置于浇铸口位置正上方且与熔体 表面间距小于 10 mm． 表面脉冲发生器无需对 DC 连 铸机进行大幅度改造，在不破坏熔体表面氧化膜的同 时对内部金属进行处理． 试验材料为超硬铝 7A04，其 化学成分如表 1 所示． 与在凝固前沿进行电磁处理相 比较［12］，该设计的洛伦兹力引起微弱的表面振动，而 强制对流及焦耳热效应对熔体影响较小． 表 1 试验材料的化学成分 ( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the base metal % Si Cu Mg Zn Ti Al 0. 09 1. 92 2. 45 5. 22 0. 04 余量 铝合金熔体经电阻炉加热至 730 ℃ 保温 0. 5 h 后 进行浇铸，经流槽先后进入石墨环及结晶器水冷凝固． 圆柱铸锭直径为 210 mm，铸造速度为 68 mm·min － 1，冷 却水量为 18 m3 ·h － 1，冷却水温度为 19 ℃ ． 铸造时需保 证电磁脉冲处理位置附近熔体温度为 660 ℃，待浇铸 温度稳定后施加脉冲电磁场． 根据前期研究，选取最 优电特性参数进行试验: 磁感应强度为 0. 153 T，脉冲 频率为 20 Hz，单向脉冲占空比为 20% ． 浇铸完成后， 取同一批次施加磁场与未施加磁场的铸锭截面试样进 行组织观察及力学性能测试． 取得良好的表面脉冲电 磁场处理效果需满足以下条件: ( 1) 熔体具有较低过 热度，( 2) 有效的脉冲磁场处理工艺，( 3) 适当的熔体 处理时间． 2 试验结果 分别对 7A04 铝合金铸锭截面心部及边部组织进 行观察，如图 2 所示． 未施加脉冲磁场的凝固组织多 呈带有一次枝晶的玫瑰状结构，心部晶粒尺寸较边部 明显粗大，导致径向截面组织均匀性差． 施加脉冲磁 场后，铸锭心部及边部组织均显著细化，心部由 77. 7 降低到 60. 1 μm; 边部由 59. 2 减低到 50. 8 μm，晶粒尺 寸分别下降了 22. 7% 和 14. 2% ． 凝固组织形貌由玫 瑰状转变为圆整的等轴晶，截面径向组织均匀性较好． 在铸造过程中向铸锭心部插入热电偶测定凝固冷却曲 线如图 3 所示． 由于半连续铸造过程中采用低温浇铸 技术，脉冲电磁场处理位置温度为接近液相线温度的 660 ℃，暂不对凝固开始温度分析． 施加脉冲磁场后， 凝固结束温度较传统铸造高 6 ℃，电磁处理阻碍凝固 温度下降． 晶粒尺寸降低的重要原因之一是形核率提高． 脉 冲电磁处理引发较高的形核率，在结晶潜热释放时致 使铸造凝固温度升高． 此外，铝的固--液界面属于非小 平面的粗糙界面，在界面上某一局部生长较快，形成突 出的尖端并深入到过冷度更大的合金熔体中，易产生 枝晶． 而初生 α--Al 在磁场作用下运动形式产生变化， 发生旋转［13］、碰撞等概率增加，体系温度梯度降低，抑 制枝晶生长． 对 7A04 铝合金铸态组织进行力学性能测试结果 如图 4 所示． 未施加磁场时，7A04 铝合金抗拉强度与 硬度分别为 255 MPa 和 HV 99. 45，在表面脉冲处理后 抗拉强度提高约 20 MPa，硬度提升约 HV 10． 从试样 · 9281 ·
·1830· 工程科学学报，第39卷，第12期 00m 00 um 00m 100m 图27A04铝合金半连续铸造凝固组织.(a)心部，未施加脉冲磁场：(b)边部，未施加脉冲磁场：(c)心部，施加脉冲磁场：(d)边部，施 加脉冲磁场 Fig.2 Microstructures of 7A04 alloy by DC casting under different conditions:(a)center zone,untreated:(b)edge zone,untreated:(c)center zone,treated by electromagnetic pulse:(d)edge zone,treated by electromagnetic pulse 800 120 280 680 硬度 660 115 275 ☑抗拉强度 700 凝固阶段 ■断面收缩率 640 620℃ 620 110 ■伸长率 3 600 600 614℃ 105 265 580 500 100 260 400 95 255 未施加脉冲磁场 ·一施加脉冲磁场 90 250 3006 未电磁脉冲处理 电磁脉冲处理 10 20 30 40 t/s 图47A04铝合金半连续铸造凝固组织力学性能 图37A04铝合金半连续铸造冷却曲线 Fig.4 Mechanical properties of 7A04 alloy by DC casting under dif- Fig.3 Cooling curves of 7A04 alloy ferent conditions 的断面收缩率及延伸率判断经磁场处理后试样塑性也 3分析及讨论 有小幅度提升.图5为拉伸试样的断口形貌.如图5 3.1脉冲电磁场特性分析 ()、(b)所示，施加磁场后断口面上韧窝较多且深，多 脉冲电磁场特性如图6所示，当脉冲电流通过感 为穿晶断裂.对图5(b)中圆圈处能谱显示断面颗粒 应线圈在熔体中形成梯度磁场B的同时，感应脉冲涡 状组织为Al-MgCu-Zm化合物，其中Cu元素信号较 电流J也在熔体中产生，通过B与J的相互作用产生 强.当Zn/Mg比值较小时，Cu含量越高塑韧性越差， 电磁力F=J×B.但电磁力并非完全垂直作用于熔体 颗粒较大Al-MgCu-Z化合物被认为的是断裂源之 轴向，而是在熔体横截面呈一定角度存在.运用AN 一.从图5(c)、(d)可以看出未施加磁场得到的玫瑰 SYS有限元软件对熔体中磁感应强度分布情况进行计 状组织经拉伸断裂后，断面有大量的沿晶断裂特征，韧 算，熔体顶部的磁感应强度等值面呈W形分布，磁感 窝较小且浅，图5()中存在明显的准解理带，趋于脆 应强度最大值为0.153T,沿重力方向形成梯度磁场 性断裂的特征.可见凝固α一A1形貌特征对断裂形式 在熔体自由表面形成不同程度的振动，促进初生晶核 也有影响. 运动并均匀分布
工程科学学报，第 39 卷，第 12 期 图 2 7A04 铝合金半连续铸造凝固组织 . ( a) 心部，未施加脉冲磁场; ( b) 边部，未施加脉冲磁场; ( c) 心部，施加脉冲磁场; ( d) 边部，施 加脉冲磁场 Fig． 2 Microstructures of 7A04 alloy by DC casting under different conditions: ( a) center zone，untreated; ( b) edge zone，untreated; ( c) center zone，treated by electromagnetic pulse; ( d) edge zone，treated by electromagnetic pulse 图 3 7A04 铝合金半连续铸造冷却曲线 Fig． 3 Cooling curves of 7A04 alloy 的断面收缩率及延伸率判断经磁场处理后试样塑性也 有小幅度提升． 图 5 为拉伸试样的断口形貌． 如图 5 ( a) 、( b) 所示，施加磁场后断口面上韧窝较多且深，多 为穿晶断裂． 对图 5( b) 中圆圈处能谱显示断面颗粒 状组织为 Al--Mg--Cu--Zn 化合物，其中 Cu 元素信号较 强． 当 Zn /Mg 比值较小时，Cu 含量越高塑韧性越差， 颗粒较大 Al--Mg--Cu--Zn 化合物被认为的是断裂源之 一． 从图 5( c) 、( d) 可以看出未施加磁场得到的玫瑰 状组织经拉伸断裂后，断面有大量的沿晶断裂特征，韧 窝较小且浅，图 5( d) 中存在明显的准解理带，趋于脆 性断裂的特征． 可见凝固 α--Al 形貌特征对断裂形式 也有影响． 图 4 7A04 铝合金半连续铸造凝固组织力学性能 Fig． 4 Mechanical properties of 7A04 alloy by DC casting under different conditions 3 分析及讨论 3. 1 脉冲电磁场特性分析 脉冲电磁场特性如图 6 所示，当脉冲电流通过感 应线圈在熔体中形成梯度磁场 B 的同时，感应脉冲涡 电流 J 也在熔体中产生，通过 B 与 J 的相互作用产生 电磁力 F = J × B． 但电磁力并非完全垂直作用于熔体 轴向，而是在熔体横截面呈一定角度存在． 运用 ANSYS 有限元软件对熔体中磁感应强度分布情况进行计 算，熔体顶部的磁感应强度等值面呈 W 形分布，磁感 应强度最大值为 0. 153 T，沿重力方向形成梯度磁场． 在熔体自由表面形成不同程度的振动，促进初生晶核 运动并均匀分布． · 0381 ·
白庆伟等：铝合金表面脉冲电磁场对半连续铸造晶粒的细化 ·1831· 60 400 300 50 wn V 图57A04拉伸断口SEM形貌.(a)、(b)施加磁场：(c)、(d)未施加磁场 Fig.5 SEM images of the tensile fracture of 7A04:(a)and (b)with electromagnetic pulse:(c)and (d)without electromagnetic pulse b 熔体表面 线圈 磁感应强度T 0.0692060.091655 熔体 →F B 200mm O⑧1 MAX 0.153 图6脉冲电磁场特性分析.()熔体中的感应磁场与感应电流：(b)熔体中的感应磁场强度分布 Fig.6 Pulse electromagnetic field characteristics:(a)interaction between the magnetic field and eddy current:(b)radial distributions of magnetic flux density in the melt 3.2电磁脉冲下熔体的形核过程 △Gm=△G,-U.=△G,-44r51HI22.(3) 在脉冲瞬时高能作用下，液态熔体中的原子团簇 式中，S为熵，T为温度，△G,为单位体积新相形核的吉 大量聚集，促进凝固初期晶核在熔体表面的电磁脉冲 布斯自由能变量，4为真空磁导率，△xs为固液相体 处理区域形成.对经典均匀形核理论公式加入磁 积磁化率差，H为磁场强度，M为磁化强度.其中，磁 能项计算电磁能对A!形核的影响，总自由能变化： 势能0.=4rs1H122.将式(3)代入式(1)并对r 3mr△G。+4mr2a. (1) 求微分，则磁能加入后作为体系形核能垒的临界吉布 斯自由能可表示为： 式中，r为晶核半径，σ为新相和旧相之间的界面能. 16πo3 16To' 等式第一项为磁固液相吉布斯自由能增量，是形核的 △C=3AC-3AG.+4AIHP (4) 驱动力：第二项为界面能，构成形核的阻力.第一项可 在恒压条件下，纯铝固态体积磁化率大于液态体 表示为5-0： 积磁化率，在1000℃以下时有叨： dG =-SdT-uoIHIdM, (2) △xs=4r-4r= 对上式积分有： 16.3×10-6+4.6×10-8T-3×10-"r. (5)
白庆伟等: 铝合金表面脉冲电磁场对半连续铸造晶粒的细化 图 5 7A04 拉伸断口 SEM 形貌． ( a) 、( b) 施加磁场; ( c) 、( d) 未施加磁场 Fig． 5 SEM images of the tensile fracture of 7A04: ( a) and ( b) with electromagnetic pulse; ( c) and ( d) without electromagnetic pulse 图 6 脉冲电磁场特性分析 . ( a) 熔体中的感应磁场与感应电流; ( b) 熔体中的感应磁场强度分布 Fig． 6 Pulse electromagnetic field characteristics: ( a) interaction between the magnetic field and eddy current; ( b) radial distributions of magnetic flux density in the melt 3. 2 电磁脉冲下熔体的形核过程 在脉冲瞬时高能作用下，液态熔体中的原子团簇 大量聚集，促进凝固初期晶核在熔体表面的电磁脉冲 处理区域形成［14］． 对经典均匀形核理论公式加入磁 能项计算电磁能对 Al 形核的影响，总自由能变化: ΔGtot = 4 3 πr 3 ΔGm + 4πr 2 σ． ( 1) 式中，r 为晶核半径，σ 为新相和旧相之间的界面能． 等式第一项为磁固液相吉布斯自由能增量，是形核的 驱动力; 第二项为界面能，构成形核的阻力． 第一项可 表示为［15--16］: dGm = － SdT － μ0 | H| dM， ( 2) 对上式积分有: ΔGm = ΔGv － Um = ΔGv － μ0Δχ L--S | H| 2 /2． ( 3) 式中，S 为熵，T 为温度，ΔGv 为单位体积新相形核的吉 布斯自由能变量，μ0 为真空磁导率，Δχ L--S 为固液相体 积磁化率差，H 为磁场强度，M 为磁化强度． 其中，磁 势能 Um = μ0Δχ L--S | H| 2 /2． 将式( 3) 代入式( 1) 并对 r 求微分，则磁能加入后作为体系形核能垒的临界吉布 斯自由能可表示为: ΔG* m = 16πσ3 3ΔG2 m = 16πσ3 3［ΔGv + μ0Δχ L--S | H| 2 /2］2 ． ( 4) 在恒压条件下，纯铝固态体积磁化率大于液态体 积磁化率，在 1000 ℃以下时有［17］: Δχ L--S = Δχ L － Δχ S = 16. 3 × 10 － 6 + 4. 6 × 10 － 8T － 3 × 10 － 11T2 ． ( 5) · 1381 ·
·1832· 工程科学学报，第39卷，第12期 根据文献ǖ8-19]提供的热力学数据计算纯铝新 熔体时优先通过初生晶核，在固液界面处会产生局部 相形核吉布斯自由能变量为： 过热，抑制其生长.初生Q《一Al内部会诱发形成较大感 46--04p5 应电流密度，承受的电磁力也更大，所以此时脉冲磁场 =-9.5789×105△T. (6) MmTsu 对晶核同样以磁势能的形式影响其运动. 式中，Ta为熔点，△T为过冷度，Q为结晶潜热，M为 磁场条件下由于固一液相磁物性差异导致初生α一 摩尔质量，p为熔体密度.将式(5)和式(6)代入式 A山在熔体中受力改变.如图9所示，促使晶体颗粒相 (4)得出电磁能作用下的形核能垒△G,如图7所示， 对于流体运动的驱动力有重力和浮力之差(G)及电磁 右上角虚线内局部放大图.外加电磁脉冲后，体系内 力(F),阻力有洛伦兹力(F)及黏滞阻力(F,).在 形核能垒被显著降低从而达到促进形核的目的，在低 未施加磁场时，初生α一A1在固液界面准静态沉积的 过冷度条件下效果更显著. 动力是由于固液相密度差引起的重力势能产生的.施 12 未处理 加磁场后，颗粒运动依靠梯度磁势能及重力势能.在 15T 10 未邂加碰场的△C 稳恒磁场下单个初生晶核具有的总势能·为重力势 10T -T 0.153T 能U。和磁势能。之和，可表示为1四： (7) 1-0. U=U.+U。=△p-gh+u△rs1HI2/2. 6 式中，g是重力加速度，固-液相密度差△4=280kg· m3,h是初生α一l位于熔体中的相对高度.当固相 速加酷场的AC 10 磁化率X大于液相磁化率X时，初生α一A1磁势能增 加.以体积力密度的形式表达熔体中α一A!颗粒沿h 变化的势能梯度为： 6 R △T℃ f=-gradU. (8) 图7电磁能对临界吉布斯自由能的影响 Fig.7 Effect of magnetic energy on critical Gibbs free energy 在低温浇铸过程中由于脉冲磁场的瞬时高能渗 入，电磁能以磁势能的形式作用于熔体并对形核能垒 进行冲击，降低跃过形核能垒所需的自由能△G,示 意图如图8.认为除过冷度外，磁能渗入也是诱导液态 原子团簇克服剩余临界形核功的有利条件.此后逐步 由初生晶核长大形成晶体颗粒 形核能垒 图9导电粒子在熔体中的受力示意图 电磁形核 Fig.9 Schematic plot of the force analysis of a conductive particle migrating 般凝固形核 假设距熔体表面以下50mm处为零势能位，熔体中 初生α一1的总势能分布如图10，梯度磁场下体积力密度 为2825Nm3.晶体颗粒是由高势能位向低势能位运动， 稳定位置位于熔体的底部.施加磁场可提高上层熔体总 势能，对于固液相磁导率差值较小颗粒来说，重力势能是 图8脉冲磁场作用下熔体形核能垒示意图 导致晶核自由下落的重要因素，而对于磁导率相对较大 Fig.8 Schematic of the change in nucleation potential barrier as a 的颗粒，磁势能是导致晶体颗粒下落的主要原因。 function of imposed magnetic energy 当一个半径为的球形颗粒以速度，在熔体中运 3.3熔体内自由晶核的运动 动时，不但受到式(7)给出的驱动力，同时也受到运动 初生α一A1除了随着熔体向拉坯方向运动，在磁 阻力.用经典牛顿力学理论对熔体初生Q《一A!的迁移 势能及重力势能的作用下相对于熔体也发生运动.熔 运动进行分析，固液相分数超过30%时大部分颗粒尺 体在运动过程中存在着固相和液相混合，由于晶体颗 寸超过枝晶间隙而无法继续移动，直接影响到熔体内 粒的电导率是熔体的3~5倍0，当脉冲窝电流通过 部黏度特征，限制颗粒在熔体中以速度”进行运动
工程科学学报，第 39 卷，第 12 期 根据文献［18--19］提供的热力学数据计算纯铝新 相形核吉布斯自由能变量为: ΔGv = － QfusΔTρ L MmolTfus = － 9. 5789 × 105 ΔT． ( 6) 式中，Tfus为熔点，ΔT 为过冷度，Qfus为结晶潜热，Mmol为 摩尔质量，ρ L 为熔体密度． 将式( 5) 和式( 6) 代入式 ( 4) 得出电磁能作用下的形核能垒 ΔG* m ，如图 7 所示， 右上角虚线内局部放大图． 外加电磁脉冲后，体系内 形核能垒被显著降低从而达到促进形核的目的，在低 过冷度条件下效果更显著． 图 7 电磁能对临界吉布斯自由能的影响 Fig． 7 Effect of magnetic energy on critical Gibbs free energy 在低温浇铸过程中由于脉冲磁场的瞬时高能渗 入，电磁能以磁势能的形式作用于熔体并对形核能垒 进行冲击，降低跃过形核能垒所需的自由能 ΔG* ，示 意图如图 8． 认为除过冷度外，磁能渗入也是诱导液态 原子团簇克服剩余临界形核功的有利条件． 此后逐步 由初生晶核长大形成晶体颗粒． 图 8 脉冲磁场作用下熔体形核能垒示意图 Fig． 8 Schematic of the change in nucleation potential barrier as a function of imposed magnetic energy 3. 3 熔体内自由晶核的运动 初生 α--Al 除了随着熔体向拉坯方向运动，在磁 势能及重力势能的作用下相对于熔体也发生运动． 熔 体在运动过程中存在着固相和液相混合，由于晶体颗 粒的电导率是熔体的 3 ～ 5 倍［20］，当脉冲窝电流通过 熔体时优先通过初生晶核，在固液界面处会产生局部 过热，抑制其生长． 初生 α--Al 内部会诱发形成较大感 应电流密度，承受的电磁力也更大，所以此时脉冲磁场 对晶核同样以磁势能的形式影响其运动． 磁场条件下由于固--液相磁物性差异导致初生 α-- Al 在熔体中受力改变． 如图 9 所示，促使晶体颗粒相 对于流体运动的驱动力有重力和浮力之差( G) 及电磁 力( Fm ) ，阻力有洛伦兹力( FL ) 及黏滞阻力( Fη ) ． 在 未施加磁场时，初生 α--Al 在固液界面准静态沉积的 动力是由于固液相密度差引起的重力势能产生的． 施 加磁场后，颗粒运动依靠梯度磁势能及重力势能． 在 稳恒磁场下单个初生晶核具有的总势能 U 为重力势 能 Ug 和磁势能 Um 之和，可表示为［21--23］: U = Ug + Um = Δρ S--L gh + μ0Δχ L--S | H| 2 /2． ( 7) 式中，g 是重力加速度，固--液相密度差 Δρ S--L = 280 kg· m － 3，h 是初生 α--Al 位于熔体中的相对高度． 当固相 磁化率 χ S 大于液相磁化率 χ L 时，初生 α--Al 磁势能增 加． 以体积力密度的形式表达熔体中 α--Al 颗粒沿 h 变化的势能梯度为: f = － gradU． ( 8) 图 9 导电粒子在熔体中的受力示意图 Fig． 9 Schematic plot of the force analysis of a conductive particle migrating 假设距熔体表面以下 50 mm 处为零势能位，熔体中 初生 α--Al 的总势能分布如图10，梯度磁场下体积力密度 为2825 N·m－ 3 ． 晶体颗粒是由高势能位向低势能位运动， 稳定位置位于熔体的底部． 施加磁场可提高上层熔体总 势能，对于固液相磁导率差值较小颗粒来说，重力势能是 导致晶核自由下落的重要因素，而对于磁导率相对较大 的颗粒，磁势能是导致晶体颗粒下落的主要原因． 当一个半径为 r 的球形颗粒以速度 v 在熔体中运 动时，不但受到式( 7) 给出的驱动力，同时也受到运动 阻力． 用经典牛顿力学理论对熔体初生 α--Al 的迁移 运动进行分析，固液相分数超过 30% 时大部分颗粒尺 寸超过枝晶间隙而无法继续移动，直接影响到熔体内 部黏度特征，限制颗粒在熔体中以速度 v 进行运动． · 2381 ·
白庆伟等：铝合金表面脉冲电磁场对半连续铸造晶粒的细化 ·1833· 140 ·一未施加脉冲磁场处理 利用Stokes定律准确预测a一Al粒子黏性力需满足有 ·一施加脉冲磁场处理 效Reynolds数，即： 4p'rf 120 Re =2p'rlvl 7 f-2825Nm3 9(n+1/31B1r√m0 (16) 100 根据上式判断在梯度磁场下运动颗粒尺寸的最大临界 值，如图11所示. 0.20 10 15 20 到熔体表面的距离/mm 0.16 图10初生a-A1总势能分布 0.12 Fig.10 Distribution of potential energy of a-Al 结合Stokes黏滞阻力定律，对于一个Reynolds数小于 0.08 1的球形颗粒受到合力可表示为四： 0.04 F=号r4如g+告rh4-H 4 dh 7.67.88.08.28.48.68.89.09.2 (重力) (磁化力) /105m) gn(vxB)B-6πrmoy. (9) 图11梯度磁场下满足颗粒运动的最大临界半径 (洛伦兹力)（黏滞阻力） Fig.11 Maximum radius of the primary particle movement under 式中，0.为熔体的电导率，v为晶核运动速度，。为无 gradient magnetic 磁场时熔体的黏度系数.如图9所示，初生α一A1除了 受到黏滞阻力F,外，还受到在磁场中运动引起周围的 根据式(15)计算脉冲磁场为0.153T时初生颗粒 熔体切割磁感线产生的洛伦兹力F的阻碍四，洛伦 运动速度与颗粒半径之间的关系，如图12所示，随着 兹力可等效为熔体黏滞阻力的增加.脉冲磁场对颗粒 颗粒半径降低运动速度显著降低.在Re<1时，Hag 周围流体运动的抑制作用强度可用反映流体切割磁感 1,磁场对动力黏度影响较小，有利于颗粒受势能影响 线导致的磁致黏滞力与机械黏滞阻力关系的Hart- 而运动.当施加磁场后，使更多初生α一1晶粒的迁移速 mann数表示： 率增加，优先堆积到低势能位置，减少晶粒生长过程，促使 晶粒细化：对不同尺寸的晶核进行选择性加速，促进熔体 Ha=IBIr (10) NTo 中的初生相在进入结晶器前分布更加均匀 对于目前的试验条件，0=4.1322101·m,o= 1.15×10~3Pasm.磁场下导电熔体的黏度系数可以 表示为刚： 10 Ha=1 n=(1+号加） (11) 10 将洛伦兹力项并入黏性阻力项中，式(9)可以化简为： 105 Ke= 号rp出-寺-6mm 4 (12) 0 对等式进行积分计算，当施加脉冲磁场初始时刻时有： 2r2.2r2。 105 105 10 (13) rim 图12初生颗粒在零势能位的运动速度 则有： Fig.12 Velocity of primary particle at zero potential energy location (14) 综上所述，电磁脉冲在熔体凝固中的作用主要是 将式(10)、(11)代入式(14)中，速度可以表示为： 三方面：(1)电磁能促进液态原子团簇形成晶核，提高 2r2 2rf 形核率；(2)涡电流优先通过初生相，降低固液界面局 -9n+3n,916+3B1r√m。 (15) 部过冷，抑制枝晶形成：(3)利用梯度磁场下的磁势能 初生α一A山在熔体中假想为液溶胶，运动速度低、 可以控制临界α一l的迁移行为，促进其在基体中的 颗粒半径小，大部分溶胶粒子的运动属于低雷诺数区， 均匀分布
白庆伟等: 铝合金表面脉冲电磁场对半连续铸造晶粒的细化 图 10 初生 α--Al 总势能分布 Fig． 10 Distribution of potential energy of α--Al 结合 Stokes 黏滞阻力定律，对于一个 Ｒeynolds 数小于 1 的球形颗粒受到合力可表示为［24］: F = 4 3 πr 3 Δρ L--S g ( 重力) + 4 3 πr 3 μ0Δχ L--S H dH dh ( 磁化力) － σm ( v × B) B ( 洛伦兹力) － 6πrη0 v ( 黏滞阻力) ． ( 9) 式中，σm 为熔体的电导率，v 为晶核运动速度，η0 为无 磁场时熔体的黏度系数． 如图 9 所示，初生 α--Al 除了 受到黏滞阻力 Fη外，还受到在磁场中运动引起周围的 熔体切割磁感线产生的洛伦兹力 FL的阻碍［25］，洛伦 兹力可等效为熔体黏滞阻力的增加． 脉冲磁场对颗粒 周围流体运动的抑制作用强度可用反映流体切割磁感 线导致的磁致黏滞力与机械黏滞阻力关系的 Hartmann 数表示［26］: Ha = | B| r σ 槡η0 ． ( 10) 对于目前的试验条件，σ = 4. 1322106 Ω － 1·m － 1，η0 = 1. 15 × 10 － 3 Pa·s ［27］． 磁场下导电熔体的黏度系数可以 表示为［28］: ηη0 ( 1 + 1 3 Ha ． ) ( 11) 将洛伦兹力项并入黏性阻力项中，式( 9) 可以化简为: 4 3 πr 3 ρ s dv dt = 4 3 πr 3 f － 6πrηv． ( 12) 对等式进行积分计算，当施加脉冲磁场初始时刻时有: v = 2r 2 9η f － 2r 2 9η fe － 9η 2r 2 ρ s t ． ( 13) 则有: v≈2r 2 9η f． ( 14) 将式( 10) 、( 11) 代入式( 14) 中，速度可以表示为: v≈ 2r 2 9η0 + 3η0Haf = 2r 2 f 9η0 + 3 | B| r 槡ση0 ． ( 15) 初生 α--Al 在熔体中假想为液溶胶，运动速度低、 颗粒半径小，大部分溶胶粒子的运动属于低雷诺数区， 利用 Stokes 定律准确预测 α--Al 粒子黏性力需满足有 效 Ｒeynolds 数，即: Ｒe = 2ρ L r| v | η = 4ρ L r 3 f 9 ( η0 + 1 /3 | B| r 槡ση0 ) 2 ＜ 1． ( 16) 根据上式判断在梯度磁场下运动颗粒尺寸的最大临界 值，如图 11 所示． 图 11 梯度磁场下满足颗粒运动的最大临界半径 Fig． 11 Maximum radius of the primary particle movement under gradient magnetic 根据式( 15) 计算脉冲磁场为 0. 153 T 时初生颗粒 运动速度与颗粒半径之间的关系，如图 12 所示，随着 颗粒半径降低运动速度显著降低． 在 Ｒe ＜ 1 时，Ha 1，磁场对动力黏度影响较小，有利于颗粒受势能影响 而运动． 当施加磁场后，使更多初生 α--Al 晶粒的迁移速 率增加，优先堆积到低势能位置，减少晶粒生长过程，促使 晶粒细化; 对不同尺寸的晶核进行选择性加速，促进熔体 中的初生相在进入结晶器前分布更加均匀． 图 12 初生颗粒在零势能位的运动速度 Fig． 12 Velocity of primary particle at zero potential energy location 综上所述，电磁脉冲在熔体凝固中的作用主要是 三方面: ( 1) 电磁能促进液态原子团簇形成晶核，提高 形核率; ( 2) 涡电流优先通过初生相，降低固液界面局 部过冷，抑制枝晶形成; ( 3) 利用梯度磁场下的磁势能 可以控制临界 α--Al 的迁移行为，促进其在基体中的 均匀分布． · 3381 ·
·1834 工程科学学报，第39卷，第12期 212(4):903 4结论 [12]Chen H,Jie J C,Fu Y,et al.Grain refinement of pure alumi- (1)经表面脉冲电磁场处理后的凝固组织由晶粒 num by direct current pulsed magnetic field and inoculation.T Nonferr Met Soc China,2014,24(5)1295 粗大的玫瑰状结构转变为晶粒细小且圆整的球状结 [13]Ferreira P J,Liu H B,Vander Sande J B.A model for the tex- 构，铸锭心部及边部晶粒尺寸分别下降了22.7%和 ture development of high-Te superconductors under an elevated 14.2%,强度及塑性均有提高. magnetic field.J Mater Res,1999,14(7):2751 (2)电磁能降低了均匀形核所需的临界吉布斯自 14] Gong YY,Luo J,Jing J X,et al.Structure refinement of pure aluminum by pulse magneto-oscillation.Mater Sci Eng A,2008, 由能△G,使体系更容易形核.磁能渗入有利于过冷 497(12):147 度较小的熔体心部区域克服剩余临界形核界面能. [15]Chen Y S,Zhang L,Liu W C,et al.Preparation of Mg-Nd-Zn- (3)对脉冲电磁场下初生一A]的运动情况进行分 (Zr)alloys semisolid slury by electromagnetic stirring.Mater De- 析，电磁脉冲导致晶核的势能增加，促使初生α一A1颗粒 gn,2016,95:398 [16]Li C J.Investigation of Nucleation and Growth of Metals in High 优先到达稳定位置，并最终决定其在基体中的分布状态. Magnetic Fields by Differential Thermal Analysis [Dissertation] 参考文献 Shanghai:Shanghai University,2011 (李传军.磁场下金属凝固过程形核与生长的差热分析研究 1]Qi JC,Wang JZ,Du H L,et al.Heredity of aluminum melt by [学位论文].上海：上海大学，2011) electric pulse modification (II).J Iron Steel Res Int,2007,14 [17]Terzieff P,Ltick R.Magnetic investigations in liquid Al-In.J (5):76 4 lloy Compd,2003,360(12):205 2]Dobron P,Chmelik F,Yi S B,et al.Grain size effects on de- [18]Gale W F,Totemeier T C.Smithells Metals Reference Book.8th formation twinning in an extruded magnesium alloy tested in com- Ed.New York:Butterworth-Heinemann,2004 pression.Scripta Mater,2011,65(5):424 19] Gundiiz M,Hunt J D.Solid-iquid surface energy in the Al-Mg 3]Jain A,Duygulu O,Brown D W,et al.Grain size effects on the system.Acta Mater,1989,37(7):1839 tensile properties and deformation mechanisms of a magnesium al- 20] Radjai A,Miwa K,Nishio T.An investigation of the effects loy,AZ31B,sheet.Mater Sci Eng A,2008,486(12)545 caused by electromagnetic vibrations in a hypereutectic Al-Si al- 4]Ghaderi A,Bamett M R.Sensitivity of deformation twinning to loy melt.Metall Mater Trans A,1998,29(5):1477 grain size in titanium and magnesium.Acta Mater,2011,59 1]Jin F W.Influence of A Gradient High Magnetic Field on Solidifi- (20):7824 cation of Al-Si Hypereutectic Alloys [Dissertation].Shanghai: [5]Li N L.Research on Influence of Initial Microstructure and Deform- Shanghai University,2007 ation Conditions on Microstructure and Texture Evolution of Hot-Ex- (晋芳伟.梯度强磁场对铝硅过共品合金凝固的影响[学位 truded AZ31 Magnesium Alloy Dissertation ]Chongqing: 论文].上海：上海大学，2007) Chongqing University,2013 22] Motokawa M,Mogi I,Tagami M,et al.Magnetic levitation experi- (李娜丽.初始组织及变形条件对A☑31镁合金热挤压组织和 ments in Tohoku University.Physica B,1998,256-258:618 织构演变的影响研究[学位论文].重庆：重庆大学，2013) [23]Takagi T,Iwai K,Asai S.Solidified structure of Al alloys by a Qian M,Ramirez A,Das A.Ultrasonic refinement of magnesium local imposition of an electromagnetic oscillationg force.IS//Int, by cavitation:clarifying the role of wall crystals.J Cryst Growth, 2003,43(6):842 2009,311(14):3708 D4]Lou C S.Control of the Motion Behaviors of Particles in Metallic Nakada M,Shiohara Y,Flemings M C.Modification ofsolidifica- Melt by High Magnetic Fields and the Relevant Morphological tion structures by pulse electric discharging.IS//Int,1990,30 Erolution [Dissertation].Shenyang:Northeastem University, (1):27 2010 [8]Spencer D B,Mehrabian R,Flemings M C.Rheological behavior (娄长胜.强磁场下合金熔体中颗粒运动行为控制及其对凝 of Sn-5 pct Pb in the crystallization range.Metall Trans,1972,3 固组织演化的影响[学位论文].沈阳：东北大学，2010) (7):1925 25] Xu Z M,Li T X,Zhou Y H.An in situ surface composite pro- 9]Yin Z X,Gong Y Y,Li B,et al.Refining of pure aluminum cast duced by electromagnetic force.Mater Res Bull,2000,35(14- structure by surface pulsed magneto-oscillation.J Mater Process 15):2331 Teh,2012,212(12):2629 [26]Yasuda H,Ohnaka I,Kawakami 0,et al.Effect of magnetic [10]Zhang Y H,Zhong H G,Zhai Q J.Research progress of grain field on solidification in Cu-Pb monotectic alloys.IS//Int, refinement and homogenization of solidified metal alloys driven by 2003,43(6):942 pulsed electromagnetic fields.J Iron Steel Res,2017,29(4): [27]Lehmann P,Moreau R,Camel D,et al.Modification of inter- 249 dendritic convection in directional solidification by a uniform (张云虎，仲红刚，翟启杰.脉冲电磁场凝固组织细化和均 magnetic field.Acta Mater,1998,46(11):4067 质化技术研究与应用进展.钢铁研究学报，2017,29(4)： [28]Sun Z,Guo M,Verhaeghe F,et al.Magnetic interaction between 249) two non-magnetic particles migrating in a conductive fluid in- [11]Li Y J,Tao WZ,Yang Y S.Grain refinement of Al-Cu alloy in duced by a strong magnetic field-n analytical approach.Prog low voltage pulsed magnetic field.J Mater Process Tech,2012, Electromagn Res,2010.103:1
工程科学学报，第 39 卷，第 12 期 4 结论 ( 1) 经表面脉冲电磁场处理后的凝固组织由晶粒 粗大的玫瑰状结构转变为晶粒细小且圆整的球状结 构，铸锭心部及边部晶粒尺寸分别下降了 22. 7% 和 14. 2% ，强度及塑性均有提高． ( 2) 电磁能降低了均匀形核所需的临界吉布斯自 由能 ΔG* m ，使体系更容易形核． 磁能渗入有利于过冷 度较小的熔体心部区域克服剩余临界形核界面能． ( 3) 对脉冲电磁场下初生 α--Al 的运动情况进行分 析，电磁脉冲导致晶核的势能增加，促使初生 α--Al 颗粒 优先到达稳定位置，并最终决定其在基体中的分布状态． 参 考 文 献 ［1］ Qi J G，Wang J Z，Du H L，et al． Heredity of aluminum melt by electric pulse modification ( II) ． J Iron Steel Ｒes Int，2007，14 ( 5) : 76 ［2］ Dobroň P，Chmelík F，Yi S B，et al． Grain size effects on deformation twinning in an extruded magnesium alloy tested in compression． Scripta Mater，2011，65( 5) : 424 ［3］ Jain A，Duygulu O，Brown D W，et al． Grain size effects on the tensile properties and deformation mechanisms of a magnesium alloy，AZ31B，sheet． Mater Sci Eng A，2008，486( 1-2) : 545 ［4］ Ghaderi A，Barnett M Ｒ． Sensitivity of deformation twinning to grain size in titanium and magnesium． Acta Mater，2011，59 ( 20) : 7824 ［5］ Li N L． Ｒesearch on Influence of Initial Microstructure and Deformation Conditions on Microstructure and Texture Evolution of Hot-Extruded AZ31 Magnesium Alloy ［Dissertation］． Chongqing: Chongqing University，2013 ( 李娜丽． 初始组织及变形条件对 AZ31 镁合金热挤压组织和 织构演变的影响研究［学位论文］． 重庆: 重庆大学，2013) ［6］ Qian M，Ｒamirez A，Das A． Ultrasonic refinement of magnesium by cavitation: clarifying the role of wall crystals． J Cryst Growth， 2009，311( 14) : 3708 ［7］ Nakada M，Shiohara Y，Flemings M C． Modification ofsolidification structures by pulse electric discharging． ISIJ Int，1990，30 ( 1) : 27 ［8］ Spencer D B，Mehrabian Ｒ，Flemings M C． Ｒheological behavior of Sn-15 pct Pb in the crystallization range． Metall Trans，1972，3 ( 7) : 1925 ［9］ Yin Z X，Gong Y Y，Li B，et al． Ｒefining of pure aluminum cast structure by surface pulsed magneto-oscillation． J Mater Process Tech，2012，212( 12) : 2629 ［10］ Zhang Y H，Zhong H G，Zhai Q J． Ｒesearch progress of grain refinement and homogenization of solidified metal alloys driven by pulsed electromagnetic fields． J Iron Steel Ｒes，2017，29 ( 4) : 249 ( 张云虎，仲红刚，翟启杰． 脉冲电磁场凝固组织细化和均 质化技术研究与应用进展． 钢铁研究学报，2017，29 ( 4) : 249) ［11］ Li Y J，Tao W Z，Yang Y S． Grain refinement of Al--Cu alloy in low voltage pulsed magnetic field． J Mater Process Tech，2012， 212( 4) : 903 ［12］ Chen H，Jie J C，Fu Y，et al． Grain refinement of pure aluminum by direct current pulsed magnetic field and inoculation． T Nonferr Met Soc China，2014，24( 5) : 1295 ［13］ Ferreira P J，Liu H B，Vander Sande J B． A model for the texture development of high-Tc superconductors under an elevated magnetic field． J Mater Ｒes，1999，14( 7) : 2751 ［14］ Gong Y Y，Luo J，Jing J X，et al． Structure refinement of pure aluminum by pulse magneto-oscillation． Mater Sci Eng A，2008， 497( 1-2) : 147 ［15］ Chen Y S，Zhang L，Liu W C，et al． Preparation of Mg--Nd--Zn-- ( Zr) alloys semisolid slurry by electromagnetic stirring． Mater Design，2016，95: 398 ［16］ Li C J． Investigation of Nucleation and Growth of Metals in High Magnetic Fields by Differential Thermal Analysis ［Dissertation］． Shanghai: Shanghai University，2011 ( 李传军． 磁场下金属凝固过程形核与生长的差热分析研究 ［学位论文］． 上海: 上海大学，2011) ［17］ Terzieff P，Lück Ｒ． Magnetic investigations in liquid Al--In． J Alloy Compd，2003，360( 1-2) : 205 ［18］ Gale W F，Totemeier T C． Smithells Metals Ｒeference Book． 8th Ed． New York: Butterworth-Heinemann，2004 ［19］ Gündüz M，Hunt J D． Solid-liquid surface energy in the Al--Mg system． Acta Mater，1989，37( 7) : 1839 ［20］ Ｒadjai A，Miwa K，Nishio T． An investigation of the effects caused by electromagnetic vibrations in a hypereutectic Al--Si alloy melt． Metall Mater Trans A，1998，29( 5) : 1477 ［21］ Jin F W． Influence of A Gradient High Magnetic Field on Solidification of Al--Si Hypereutectic Alloys ［Dissertation］． Shanghai: Shanghai University，2007 ( 晋芳伟． 梯度强磁场对铝硅过共晶合金凝固的影响［学位 论文］． 上海: 上海大学，2007) ［22］ Motokawa M，Mogi I，Tagami M，et al． Magnetic levitation experiments in Tohoku University． Physica B，1998，256-258: 618 ［23］ Takagi T，Iwai K，Asai S． Solidified structure of Al alloys by a local imposition of an electromagnetic oscillationg force． ISIJ Int， 2003，43( 6) : 842 ［24］ Lou C S． Control of the Motion Behaviors of Particles in Metallic Melt by High Magnetic Fields and the Ｒelevant Morphological Evolution ［Dissertation］． Shenyang: Northeastern University， 2010 ( 娄长胜． 强磁场下合金熔体中颗粒运动行为控制及其对凝 固组织演化的影响［学位论文］． 沈阳: 东北大学，2010) ［25］ Xu Z M，Li T X，Zhou Y H． An in situ surface composite produced by electromagnetic force． Mater Ｒes Bull，2000，35 ( 14- 15) : 2331 ［26］ Yasuda H，Ohnaka I，Kawakami O，et al． Effect of magnetic field on solidification in Cu-- Pb monotectic alloys． ISIJ Int， 2003，43( 6) : 942 ［27］ Lehmann P，Moreau Ｒ，Camel D，et al． Modification of interdendritic convection in directional solidification by a uniform magnetic field． Acta Mater，1998，46( 11) : 4067 ［28］ Sun Z，Guo M，Verhaeghe F，et al． Magnetic interaction between two non-magnetic particles migrating in a conductive fluid induced by a strong magnetic field-an analytical approach． Prog Electromagn Ｒes，2010，103: 1 · 4381 ·