al合金在外加横向磁场中定向凝固过程的分析word格式论文.docxVIP

1 绪论 在21世 纪 冶 金 工 艺 发 展 的 诸 多 领 域 中 ， 材 料 电 磁 工 艺（ El ect romag- neti c Pr ocessing of Mat e ri al s ，简 称 EP M ）作 为利用电磁能量 的一种新工艺，将磁场（或电场）引入到材料的制备或加工过程中， 利 用 电磁力实现对材料制备、加工过程和产品质量的控制及材料组织、性 能 的 改善，以其清洁污染小、设备改进投资少、控制过程简便可靠等优点 ， 成 为当今材料科学研究与应用领域中的一项重要内容。 研究物质在各种特殊外界条件下发生的 变化可能发现各种各样的物 理 、 化学 、 生 物现象和效应 ， 揭示新机制 ， 形成新应用 。 自上世纪 60 年代 Poppm eier 等人把电磁搅拌应用到钢的连铸生产上开始，电磁场在冶金加 工过程的各个领域中得到广泛应用与发展，并逐渐形成了电磁冶金技 术 和 磁流体动力学理论研究领域。电磁场应用于材料加工的领域日益扩大 ， 研 究深度不断增加。此后，人们进一步将外加磁场引入金属凝固过程中 ， 利 用外加磁场控制金属凝固过程的热量、质量、动量传输以及液态金属 的 成 型过程。电磁场不仅被应用在金属材料的制备和加工中，也应用于非 金 属 材料的制备和加工过程。 我国曾在上世纪 60 年代对电磁场应用于铸造过程进行了研究。在 80 年代末，随着电磁冶金学的引入，国内出现了熔池电磁搅拌和铝合金 电 磁 铸造的研究和开发，成功地进行了铝合金方锭电磁铸造的工业化试验 。 现 在铝及其合金的圆锭、方锭的电磁铸造已能工业化生产，而且实现了 大 型 铝合金扁锭电磁铸造计算机在线控制的冷、热态模拟实验。铝熔池电 磁 搅 拌也在工业上广泛应用 ，结合新工艺的 开发 ，完 成了一些电磁场 、流动场、 温度场和凝固组织方面的理论研究工作，并己开始对金属电磁离心铸 造 、 钢的电磁铸造、悬浮熔炼等进行研究。在电磁冶金日益受到国内冶金 界 的 重视的同时，针对直流稳恒磁场对流体作用之一，即热电磁流体动力 学 效 应 (TEMHD) 研究较少，和发达国家相比还有一定差距。 1.1 理论基础 1.1.1 电磁工艺 经过近年的发展，材料电磁工艺已形 成多学科交叉、工艺手段繁多及 应用领域广泛的体系。材料电磁工艺的科学基础包括电磁学、流体力 学 、 热力学、传输和相变理论以及等离子体工程等领域。概括地说，材料 电 磁 工艺中电磁场对材料的作用主要包括产生电磁力、产生热量以及对相 变 和 传输过程的特殊作用，如电迁移等。其所采用的电磁场按照其特征可 以 分 类如表 1-1 所示。有些工艺将电场或者磁场单独 使用，而有些则使用多个 磁场或者将电场和磁场同时引入。 表 1-1 电磁场的分类 电场磁场直流电场、交流电场 直流磁场、交变磁场 脉冲电场 固定磁场、移动磁场、旋转磁场、 脉冲磁场 人们在利用各种手段控制凝固过程的 研究和生产实践中发现，综合利 用电磁场的多种功能对凝固过程进行控制有着明显的优越性，并将磁 流 体 动力学与材料加工技术结合起来，目前材料电磁工艺己经受到越来越 多 的 重视，并在实际生产中得到广泛应用，取得了显著的效果。特别是磁 流 体 动力学在有色金属、钢铁以及半导体材料的冶金及加工过程中得到广 泛 应 用与发展，如钛合金的熔炼和半导体多晶硅的连续铸造，在钢的连续 铸 造 中应用电磁力强化控制等，表 1-2 列出了材料电磁工艺中常见技术。 近年来，随着液氦制冷超导电磁石的 问世，出现了由超导线圈产生的 10T 程度的高强度的直流磁场，这使得 静磁场的利用领域迅速扩大，为强 磁场在材料科学中的应用提供了基本条件。目前，对强磁场在材料科 学 中 的应用研究已经进行了广泛的探索性实验，在材料取向、热处理和控 制 流 体流动方面发现许多独特的强磁现象，形成多个内涵丰富的研究新领 域 。 强磁场在材料中的应用研究还处于起步阶段，更多的强磁现象有待发 现 ， 已发现的现象中深层次的物理、化学机理有待进一步研究。利用强磁 场 对 材料相变过程、熔体流动过程以及化学反应过程的控制作用，有可能 形 成 多种材料制备过程的强磁场控制理论和控制技术，例如材料凝固过程 的 磁 场控制技术，利用强磁场对组织取向和熔体传质传热的控制，有可能 获 得 组织规则排列、成分均匀的优质复合材料。另外，可以将强磁场与一 种 或多种极端条件复合作用于材料制备过程，例如在强磁场中可以比较方 便 地获得很大的静压力 (GPa 数量级 ) 和极低的温度 (m K 数量级 ) 。表 1-2 常见的材料电磁工艺 基本原理 对材料的作用 工艺产生电磁力 形状控制 软接触凝固、悬浮熔炼、冷态坩埚等 驱动流体 电磁搅拌、电磁离心铸造 抑制对流 电磁