低频脉冲磁场金属凝固晶粒细化机理研究

低频脉冲磁场金属凝固晶粒细化机理研究低频脉冲磁场能够有效细化凝固晶粒,由于脉冲磁场作用过程实验验证难度大,尚有很多机理值得探索研究；要实现低频脉冲磁场细晶技术的工业化,必须对低频脉冲磁场细化凝固晶粒机理进行深入研究。本文利用数学解析法、数值模拟方法和热态浇注实验等手段,建立任意波形脉冲磁场电磁力计算通用模型；将傅里叶级数变换法应用于脉冲磁场熔体运动模型,建立多周期的非稳态磁流体运动模型；为了改善温度方程收敛性将分段函数转化为连续性函数,建立脉冲磁场下金属凝固模型和小润湿角下脉冲磁场的形核模型,并与热态浇注实验结果进行对比校核。利用以上建立的模型,对比研究了时谐磁场与低频脉冲磁场的电磁力、熔体运动和凝固过程差异性,得到了低频脉冲磁场的电磁力特性、熔体运动特性和凝固特性以及凝固形核的影响。在此基础上,提出了低频脉冲磁场下枝晶破碎细化晶粒模型。研究成果概括如下：1.低频脉冲电磁力特性(1)与时谐磁场相比,脉冲磁场电磁力具有极值大和间歇性主要特征。与单一脉冲磁场相比,复合磁场电磁力极值更大,作用时间的延长,可有效增加电磁力作用深度,进一步强化对金属凝固过程的作用。(2)与VivesC的电磁振荡作用不同,每个周期内脉冲磁场电磁压力平均冲量是电磁拉力平均冲量的99倍。数值计算结果中脉冲磁场下熔体内部没有发生振荡的现象,也进一步证实此结果。2.低频脉冲磁场熔体运动特性(1)脉冲磁场下熔体运动由两个上下不对称的涡流构成,在多周期后呈现准稳态过程。脉冲磁场下熔体速度随着脉冲磁感应强度的增加而线性增加。随着脉冲频率和脉冲作用时间r的增加,熔体速度不断增加。当t=0.1s时,脉冲磁场下电磁力作用不存在间歇期,熔体稳态速度约为1.4m·s-1,与时谐磁场下相同。(2)脉冲磁场下熔体速度的周期波动是脉冲磁场的主要特征之一。虽然脉冲磁场稳态平均速度0.47m·s-1远小于时谐磁场的稳态平均速度约为1.4m·s-1’,但是脉冲磁场速度波动相对幅度20%远大于时谐磁场的0.67%。脉冲磁场下熔体速度的波动相对幅度大,既能引起高次枝晶的生长,又能增加枝晶破碎的几率。3.低频脉冲磁场金属凝固特性(1)将脉冲磁场凝固传热流动模型与热态浇注温度实验结果校核,误差小于10%。时谐磁场下凝固初期熔体温度梯度0.1K·mm-1小于脉冲磁场凝固初期温度梯度0.4K·mm-1。但比较整个凝固过程的平均温度梯度,时谐磁场的1.1K·mm-1大于脉冲磁场的0.9K·mmmq。另外,凝固阶段脉冲磁场对熔体的有效作用时间为80s,是时谐磁场有效作用时间40s的2倍。(2)定量计算了焦耳热与熔体显热、凝固潜热的比值分别为4.63×10-7、2.22×10-3,故脉冲磁场焦耳热对金属熔体温度和凝固过程的影响可以忽略不计。随着磁感应强度增加,凝固冷却速率G×V值先减小后增大,当B=0.1T时,GxV值最大,相应地晶粒度最小；随着脉冲频率的增加,凝固冷却速率GxV值先增大后减小,当f=5Hz时,GxV值最大。当B=0.1T和f=5Hz,凝固晶粒度最小。4.低频脉冲磁场细化机理模型及工业应用分析(1)强脉冲磁场对临界过冷度和临界形核半径影响较大,而弱脉冲磁场对临界形核半径和临界形核过冷度影响可不计,说明低频脉冲磁场对金属凝固热力学影响可不计。(2)建立了不考虑焦耳热影响的脉冲磁场枝晶破碎细化机理模型。脉冲磁场细晶机理归根于脉冲磁场瞬时电磁力极值特性增加了枝晶破碎概率,同时脉冲磁场作用下熔体运动使得温度梯度更加均匀,凝固生长速率增加,使枝晶碎片在熔体区域的存活率增加。脉冲磁场作用下,单位时间获得的等轴晶数目N为：Nt=Nd·Φ(M),(3)基于枝晶破碎机理,提出脉冲磁场细晶技