低頻脈沖磁場金屬凝固晶粒細化機理研究

低頻脈沖磁場金屬凝固晶粒細化機理研究低頻脈沖磁場能夠有效細化凝固晶粒,由于脈沖磁場作用過程實驗驗證難度大,尚有很多機理值得探索研究；要實現(xiàn)低頻脈沖磁場細晶技術的工業(yè)化,必須對低頻脈沖磁場細化凝固晶粒機理進行深入研究。本文利用數(shù)學解析法、數(shù)值模擬方法和熱態(tài)澆注實驗等手段,建立任意波形脈沖磁場電磁力計算通用模型；將傅里葉級數(shù)變換法應用于脈沖磁場熔體運動模型,建立多周期的非穩(wěn)態(tài)磁流體運動模型；為了改善溫度方程收斂性將分段函數(shù)轉化為連續(xù)性函數(shù),建立脈沖磁場下金屬凝固模型和小潤濕角下脈沖磁場的形核模型,并與熱態(tài)澆注實驗結果進行對比校核。利用以上建立的模型,對比研究了時諧磁場與低頻脈沖磁場的電磁力、熔體運動和凝固過程差異性,得到了低頻脈沖磁場的電磁力特性、熔體運動特性和凝固特性以及凝固形核的影響。在此基礎上,提出了低頻脈沖磁場下枝晶破碎細化晶粒模型。研究成果概括如下：1.低頻脈沖電磁力特性(1)與時諧磁場相比,脈沖磁場電磁力具有極值大和間歇性主要特征。與單一脈沖磁場相比,復合磁場電磁力極值更大,作用時間的延長,可有效增加電磁力作用深度,進一步強化對金屬凝固過程的作用。(2)與VivesC的電磁振蕩作用不同,每個周期內脈沖磁場電磁壓力平均沖量是電磁拉力平均沖量的99倍。數(shù)值計算結果中脈沖磁場下熔體內部沒有發(fā)生振蕩的現(xiàn)象,也進一步證實此結果。2.低頻脈沖磁場熔體運動特性(1)脈沖磁場下熔體運動由兩個上下不對稱的渦流構成,在多周期后呈現(xiàn)準穩(wěn)態(tài)過程。脈沖磁場下熔體速度隨著脈沖磁感應強度的增加而線性增加。隨著脈沖頻率和脈沖作用時間r的增加,熔體速度不斷增加。當t=0.1s時,脈沖磁場下電磁力作用不存在間歇期,熔體穩(wěn)態(tài)速度約為1.4m·s-1,與時諧磁場下相同。(2)脈沖磁場下熔體速度的周期波動是脈沖磁場的主要特征之一。雖然脈沖磁場穩(wěn)態(tài)平均速度0.47m·s-1遠小于時諧磁場的穩(wěn)態(tài)平均速度約為1.4m·s-1’,但是脈沖磁場速度波動相對幅度20%遠大于時諧磁場的0.67%。脈沖磁場下熔體速度的波動相對幅度大,既能引起高次枝晶的生長,又能增加枝晶破碎的幾率。3.低頻脈沖磁場金屬凝固特性(1)將脈沖磁場凝固傳熱流動模型與熱態(tài)澆注溫度實驗結果校核,誤差小于10%。時諧磁場下凝固初期熔體溫度梯度0.1K·mm-1小于脈沖磁場凝固初期溫度梯度0.4K·mm-1。但比較整個凝固過程的平均溫度梯度,時諧磁場的1.1K·mm-1大于脈沖磁場的0.9K·mmmq。另外,凝固階段脈沖磁場對熔體的有效作用時間為80s,是時諧磁場有效作用時間40s的2倍。(2)定量計算了焦耳熱與熔體顯熱、凝固潛熱的比值分別為4.63×10-7、2.22×10-3,故脈沖磁場焦耳熱對金屬熔體溫度和凝固過程的影響可以忽略不計。隨著磁感應強度增加,凝固冷卻速率G×V值先減小后增大,當B=0.1T時,GxV值最大,相應地晶粒度最小；隨著脈沖頻率的增加,凝固冷卻速率GxV值先增大后減小,當f=5Hz時,GxV值最大。當B=0.1T和f=5Hz,凝固晶粒度最小。4.低頻脈沖磁場細化機理模型及工業(yè)應用分析(1)強脈沖磁場對臨界過冷度和臨界形核半徑影響較大,而弱脈沖磁場對臨界形核半徑和臨界形核過冷度影響可不計,說明低頻脈沖磁場對金屬凝固熱力學影響可不計。(2)建立了不考慮焦耳熱影響的脈沖磁場枝晶破碎細化機理模型。脈沖磁場細晶機理歸根于脈沖磁場瞬時電磁力極值特性增加了枝晶破碎概率,同時脈沖磁場作用下熔體運動使得溫度梯度更加均勻,凝固生長速率增加,使枝晶碎片在熔體區(qū)域的存活率增加。脈沖磁場作用下,單位時間獲得的等軸晶數(shù)目N為：Nt=Nd·Φ(M),(3)基于枝晶破碎機理,提出脈沖磁場細晶技