・７８・材料导报２００６年５月第２０卷第５期磁场作用下的金属凝固研究进展”王建元，陈长乐（西北工业大学应用物理系，西安７１００７２）摘要磁场作用下的金属凝固已成为金属材料基础研究和开发制备新技术的重要领域。综述了交变／旋转磁场、直流磁场作用下金属凝固的研究历史及现状，运用电磁学及金属凝固原理，揭示了磁场对凝固组织形貌及凝固过程产生的影响及主要机制，并对以后的理论研究工作提出了建议。关键词磁场凝固对流金属熔体ＰｍｇｒｅｓｓｉｎＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＭｅｔａｌＳｏｌｉｄｍｃａｔｉｏｎｉｎＭａｇｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄＷＡＮＧＪｉａｎｙｕａｎ，ＣＨＥＮＣｈａｎｇｌｅ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００７２）ＡｂｓｔｒａｃｔｖｅｌｏｐｉｎｇａＭｅｔａｌｓｏｉｌｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｎｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｈａｓｂｅｃｏｍｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｏｒｉｍｐｍｖｉｎｇｔｈｅｂａｓｉｃｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅ—ｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｄ．ｃ．ｆｉｅｌｄ，ａ．ｃ．ａｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｈｉｇｈｉｎｔｅｎｓｅｎｌａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ）ｏｎａＵｏｙｓｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｎｌａｇｎｅｔｉｃｔｉｏｎｓｂｒｉｅｆｌｙｒｅｖｉｅｗｅｄ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＳｕｇｇｅｓ—ａｎｄｍｅｔａｌｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔａｎｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｈａｖｅｂｅｅｎｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄａｎｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙｄｅｄｕｃｅｄ．ｏｕｔｔｏｈａｖｅｂｅｅｎｐｏｉｎｔｅｄ１【ｅｙｗＯｒｄｓｆｕｒｔｈｅｒｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ．ｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ，ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ，ｍｅｌｔ０引言在金属凝固过程中施加磁场是改善组织结构、提高机械性电流ｉ。时，线圈内将产生交变磁场Ｂ，在这一交变磁场作用下，熔体内将产生感应电流ｉ２，磁场Ｂ与感生电流ｉｚ之间发生电磁作用，产生脉动电磁力Ｆ＝ｉｚ×Ｂ。其方向是沿径向将金属压向能的有效方法之一。早在２０世纪初，就有人尝试利用磁场对液或拉离轴心，该力会使熔体内产生规则的波动，强化熔体内部对流。对于旋转磁场，其原理与交变磁场基本相同，只是磁场方向是连续改变的，其对熔体的力的作用更加复杂。这就是交变／旋态金属进行搅拌以改善冶金组织。到了４０年代，形成了磁流体力学这门学科，它是建立在电磁场理论、流体力学和冶金学基础上的边缘性交叉学科［１］。５０年代，人们将电磁搅拌技术应用于连续铸钢过程，利用强迫熔体流动的方法来控制铸件的凝固过程［２］。８０年代以后，各国学者陆续地对磁场作用下的流体行为转磁场对于金属凝固影响的本质，即通过加剧熔体内部对流来影响和改变热量、动量及质量的传输，最终改变凝固组织形貌及性能。ｈ开展了一系列广泛研究，掀起了磁流体力学在材料凝固领域内研究的热潮［３］。到目前为止，凝固过程中施加的磁场主要有交变／旋转磁场和直流磁场两种，另外也有其它的特殊磁场，如移动磁场、脉冲磁场，变幅磁场等。ｌ●Ｂｏｏｏｏｏｏ１１．１交变／旋转磁场对凝固过程的影响交变／旋转磁场发生装置常见的交变／旋转磁场分为两类：一类是将三相交流电通入０１：￥￥￥￥￥一呈空间环形排布的多组电磁线圈内，利用其相位差产生旋转磁场，其频率从几赫兹到数十兆赫兹。另一类是永磁体旋转法，它最早是由Ｃｖｉｖｅｓ［４］提出的，其原理是利用机械带动高性能永磁体转动来产生旋转磁场，它可以产生很强的磁场强度，使金属内部产生明显的三维流动，与交流电产生的磁场相比，具有磁力密度大、磁能利用率高等优点。图１单方向交流磁场内熔体受力１．２．１交变／旋转磁场对金属熔体内部热量传输的影响交变／旋转磁场对金属熔体内部热量传输的影响主要表现在以下３个方面：首先，磁场对熔体具有搅拌作用，这可以加快散热，提高熔体冷却速率。其次，搅拌作用会促进熔体内部的对１．２交变／旋转磁场对金属凝固过程的作用图１是交变磁场作用于金属熔体的模型，当线圈通以脉动＊国家自然科学基金重点项目（批准号：５０３３１０４０，６０１７１０３４）王建元：硕士研究生Ｔｅｌ：０２９—８８４９３９７９Ｅ＿ｒｍｉｌ：ｊｉａｎｙｌｌａｎ３２２＠１６３．∞ｍ万方数据 磁场作用下的金属凝固研究进展／王建元等流，对固液界面的传热过程产生直接的影响，对流的加剧使热量传输速度提高，因而能降低熔体内的温度梯度，提高凝固界面前沿的温度．使得熔体内部温度分布更加均匀。再者，外加旋转磁场会导致熔体内形成涡流电流，对熔体起到加热作用。张金山等［５］研究了旋转磁场对ｓｎ—Ｓｂ包晶合金凝固冷却曲２．１・７９・直流磁场的电磁制动效应金属熔体在直流磁场中凝固时，自然对流的存在使得流动的熔体内部产生感应电流，从而产生洛伦兹力。如图２所示，在处于ｘ方向的直流磁束Ｂ【作用下，若有ｚ方向流速为ｖｚ的金属液流，则在ｙ方向产生感应电流Ｊ，，根据左手定则，该金属流体中的体积力为：线的影响。研究发现施加旋转磁场后，熔体冷却曲线斜率随励磁电流的增加先增大后减小，而包晶反应时间平台却呈相反的趋势。分析表明，涡流电流较小时，旋转磁场对熔体的搅拌作用占主导地位，此时，熔体冷却速率加快，包晶反应平台缩短。随励磁电流的提高，涡流电流增大，旋转磁场对熔体加热作用增强，超过了其对熔体的搅拌散热作用，所以冷却速度相对减缓，包晶反应平台增长。周根树等ｒ６］研究了Ｎｉ基合金在电磁场内的凝固冷却曲线，得到了类似上述的结果。１．２．２＾—一柏ＵＢ：（１）式中：ｄ为金属熔体电导率；ｍ为熔体磁导率；ｖｚ为熔体运动速度；Ｂ】【为磁场强度。体积力ｆｚ方向与流速反向，大小与流速成正比。由此可见，直流磁场对熔体内部的流动有抑制作用，这就是电磁制动效应［１５’２１｜。交变／旋转磁场对于凝固组织形貌的影响交变／旋转磁场对于凝固组织最显著的作用是使晶粒细化。２０世纪６０年代，Ｗ．ＣＪｏｈｎｓｏｎ等［６’７］对磁场作用下的金属凝固进行了研究，发现交变磁场可以减小等轴晶区内的晶粒尺寸和柱状晶区的相对体积。Ｌａｎｇｅｎｂｅｒｇ等［８］也发现交流磁场可以显著细化钢锭晶粒。１９８３年，Ｔ．ＡＥｌ—Ｂａｓｓｙｏｕｎｉ等［９］证明，只有当交变磁场的磁感应强度为ｏ．０２７～ｏ．０３３Ｔ时，才能取得最佳的细化效果。国内的很多学者也对交变／旋转磁场细化晶粒进行了深入研究。刑书明等［１０］对Ａ卜Ｃｕ合金在旋转磁场下的凝固进行了研究，发现与无磁场时粗大的等轴晶相比，磁场能明显细化晶粒，且激励电压越高，细化效果越显著，但当电压超过直流磁场的电磁制动效应对于金属枝晶生长的影响主要表现为抑制等轴晶的生长，促进柱状晶的生长。Ｕｈｌｍａｎｎ等Ⅲ考察了ｏ．２Ｔ直流磁场对Ａｌ—Ｃｕ合金凝固组织的影响，发现无磁场时凝固组织为等轴晶，而外加直流磁场后组织为完全的柱状晶。他们认为，直流磁场抑制了熔体的对流，使得枝晶臂的熔化和晶核被带入熔体中的机会大大减少，从而减少了等轴晶的数量。Ｋｉｓｈｄａ等［１］研究了Ｐｂｓｎ合金在直流磁场中的凝固，也发现了类似的结果。在其宏观凝固组织中，柱状晶组织会随着磁场强度的提高而增加，并伴随着等轴晶粒的粗化。时海芳等［２２］研究了直流磁场下Ａｌ—Ｃｕ合金的定向凝固，发现与无磁场条件下相比，枝晶主干排列整齐且生长取向与热流方向一致，同时主干平均间距减小。这是因为电磁制动抑制了熔体对流，使得枝晶的横向生长及分支发展受到抑制，而平行于热流方向的纵向生长迅速‘２３。。直流磁场还被应用于获取具有均匀弥散组织的偏晶合金。偏晶合金在常规条件下凝固时会分离成两不互溶的液相，由于图２流动的金属熔体在均强磁场中的受力分析Ｚ某临界值时，组织反而会粗化。这是因为在磁场强度增加的同时，感生电流也成比例地增加，这会在熔体内产生大量热效应，从而使过冷度减小，形核率下降，导致组织粗化。交变／旋转磁场下共晶凝固的研究也是学者们一直关注的课题［１“。大量实验证明，交变／旋转磁场能使共晶相间距增大。Ｅｉｓａ等［１２’１３］研究了旋转磁场条件下Ｂｉ－ＭｎＢｉ共晶合金的凝固，发现共晶层片间距增大。Ｊｉｎ等［１４３在Ａｌ＿Ｃｕ共晶合金中也得到了相同的结果，并提出可以用与特征流速有关的Ｐｅｃｌｅｔ数表征流动的强弱。共晶生长是一个扩散控制过程，原子传输能力的高低决定了组织的粗细程度［１引。交变／旋转磁场导致熔体内强烈的流动，提高了溶质原子的传输能力，使液固界面前沿溶质边界层减薄，有效扩散距离增加，从而使共晶两相的合作生长可以通过原子的长距离扩散来实现，因而两相间距增大。除了上述结果，Ｒｅｎ等［１６’１７３对旋转磁场下的Ａ１一Ｓｉ共晶合金进行了定向凝固研究，发现共晶两相出现了离异生长，共晶相中的（Ｓｉ）相全部富集于样品的外表面。张伟强等［１８￣２０］还发现，两液相密度不同，极易产生偏析甚至是组元分层［２“。利用直流磁场可有效抑制由重力导致的自然对流［２５’２６｜。杨森等口７３将直流磁场作用于Ａｌ—Ｂｉ偏晶合金的定向凝固过程中，发现直流磁场能抑制和消除重力产生的热和溶质对流，并且能使纤维组织在施加了交变磁场的Ａｌ一３３．２％Ｃｕ共晶成分合金中出现了Ａｌ的初生相，分析表明，这是由于流动导致界面前沿共晶两相生长速度不一致所造成的。细化。赵九洲等［２８］也用同样的方法获得了均匀的Ａｌ－Ｐｂ偏晶合金组织。除此之外，直流磁场还能增大合金元素在基体中的固溶度［２９｜，如Ｚｎ在Ａｌ中的固溶度从４．３％增加到５．１％，而Ｍｇ从１．１３％增加到１．９％［３０］。直流磁场下共晶凝固的研究尚未见报道。这是因为大家普遍认为在较弱的直流磁场中，磁场仅起抑制流动作用，而此时的对流对共晶生长影响很小［１２’”］。２直流磁场对凝固过程的影响直流磁场分为两种：由传统线圈产生的普通强度的直流磁场和由超导线圈产生的高强度直流磁场。直流磁场通常施加于金属的定向凝固过程中。目前认同的直流磁场对金属凝固过程的影响机理主要集中于两个方面［１］：一是自然对流引起的电磁制动效应；二是热电流引起的热电磁对流效应。２．２热电磁对流效应在直流磁场作用下的凝固过程还可以产生热电磁对流效应，它是外加直流磁场与热电流相互作用的结果。形成热电磁万方数据 ・８０・材料导报２００６年５月第２０卷第５期对流效应需要满足以下两个条件［１］：（１）凝固系统包含两种以上具有不同热电性的组元；（２）在较高的温度梯度下发生凝固。通常在普通铸件凝固过程中形成的温度梯度较小，热电磁效应不明显，而在金属的定向凝固枝晶生长前沿，热电磁效应最为显著。如图３所示，定向凝固枝晶生长前沿是非等温界面，存在较大的温度梯度，因而液固两相之间存在热电势差而产生热电流。热电流与外加直流磁场发生相互作用，产生电磁力ｊⅡ×Ｂ，驱使熔体产生流动。虽然这种对流仅仅集中于凝固界面前沿，但却能极大影响固液界面的传热传质过程。度的Ｂｉ－Ｍｎ过固液两相区凝固的过程，发现合金中顺磁性ＢｉＭｎ相沿磁场取向，并在缓慢凝固时产生环状组织。安田秀幸等［１２’３７］对偏晶成分Ｐｂ＿１５％ｃｕ和过偏晶成分Ｐｂ－３５％Ｃｕ合金的研究结果表明：施加ｌｏＴ强磁场后，偏晶成分的凝固组织明显细化，过偏晶成分凝固组织的偏析得到明显改善。Ｒａｄｊａｉ等［３８］和王强等［３９］均研究发现，强磁场可以细化共晶硅，并可以有效控制初晶硅的分布。这些结果预示着，利用超强磁场可能控制材料的结晶凝固过程，形成一种新的复合材料和性能各向异性的制备技术。３结束语不同类型的磁场对凝固过程的影响是不同的，但从根本上来说，无论是交变／旋转磁场还是直流磁场，对于凝固过程的影响都主要表现在其改变了合金熔体内部的热对流及溶质的传输方式。磁场已经成为控制金属凝固过程的有效手段，具有良好的理论和应用价值。但是要真正利用磁场进行实际的凝固控制，笔者认为首先应抓住以下几点：（１）系统研究各种磁场条件下不同金属熔体的液固相变规圈３凝固界面上热电效应产生示意图刘晴等［３１］研究发现，在Ａｌ—Ｃｕ合金的定向凝固过程中施加Ｂ＜１Ｔ的直流磁场时，枝晶间距随着磁场强度的增加而增大，而当Ｂ＞１Ｔ，枝晶间距却呈相反的变化趋势。分析表明，Ｂ＜１Ｔ时，热电磁电流效应是引起枝晶粗化的主要原因，电磁力加速了糊状区的流动，提高了溶质的传输能力，使原子有效扩散距离增加，从而引起枝晶间距的增大。而Ｂ＞１Ｔ时，电磁制动趋于主导作用，抑制了熔体的对流，使得枝晶间距减小。也就是说，当施加直流磁场时，电磁制动效应和热电磁对流效应是相反的两种机制，究竟哪一种机制居主导地位取决于哈脱曼数。其表达式为：律，尤其是旋转磁场的作用规律。由于这种方法比较容易实现，目前正在逐渐得到广泛的应用，如电磁离心凝固等。（２）建立准确的理论模型，进行数值模拟，使其能在流体流动、磁场和传热方面作出比较可靠的预测。相场法模拟是目前比较好的方法之一，得到越来越多的使用。其较大的计算量要求性能更高的计算机来完成。（３）研究强磁场下金属合金的凝固过程是一个重要方向，它为形成新的复合材料和性能各向异性材料的制备技术提供了理论基础。大型超导磁体可提供１０Ｔ以上的场强，但由于成本较高，该方向还处于研究阶段。参考文献１Ｈｎ一～》Ｈ（２）２訾炳涛，等．电磁场在材料凝固过程中的应用．天津冶金，２００２，５：５式中：ｐ为熔体粘度，ｐ为熔体密度，Ｈ为熔体的特征尺寸。有研究表明，当哈托曼数Ｈａ＜１或Ｈａ＞１０时，对应的磁通密度即为磁场的临界值；只有当Ｈａ＞１０时，才能产生明显的电磁制动；而当Ｈａ＜１时，热电磁效应占主导地位。李双明，等．交变电磁场下金属熔体的电磁约束连续成形与凝固．材料导报，２００１，１５（３）：１０３４胡汉起．金属凝固原理．北京：机械工业出版社，１９９１．１５４ｖｉｖｅｓＣＥｌａｂｏｒａｔｉｏｎｏｆｓｅｍｉｓｏｌｉｄａｌｌｏｙｓｂｙｍｅａｎｓｏｆｎｅｗ２．３超强磁场下的金属凝固近年来，低温超导技术的完善使超强磁场的获得日益方便，这为研究金属合金在超强磁场（１０Ｔ以上）下的凝固行为提供了可能。强磁场能够影响晶体的长大过程和约束晶体的排列方向，并可有效抑制导电熔体内的热对流，从而改变凝固过程中晶体的生长特性、晶体排列及溶质分布规律等，并且强磁场对非铁磁性金属具有一定的磁化作用［３２１，多种非铁磁性材料在强磁场中凝固形成取向较强的组织结构，显示出类似铁磁材料的行为。１９８１年Ｍｉｋｅｌｓｏｎ等［１如将Ａｌ＿Ｃｕ和Ｃｄ＿Ｚｎ等合金置于１Ｔ磁场中缓慢凝固，观察到先共晶相呈现出明显的近似平行于磁场方向的组织。１９９７年佐佐健介等［１１’３４］观察到Ａ卜ｓｉ－Ｆｅ合金中析出的板状的Ａｌ－９％Ｓｉ＿１５％Ｆｅ（顺磁性）取向垂直５Ｔ磁场的方向；并且还观察到Ｂ｝４％Ｍｎ合金在４．５Ｔ强磁场作用下析出的树枝状金属间化合物ＭｎＢｉ（铁磁性）取向沿磁场的方向。王晖等［３４￣３６］研究了１０Ｔ强磁场下共晶合金从低于ＭｎＢｉ相Ｃｕｒｉｅ温９７６５ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｒｈｅｏｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓ．２３Ｂ（３）：１８９ＭｅｔａｌｌＴｒａｎｓ，１９９２，张金山．旋转磁场及其对合金凝固冷却曲线的影响．铸造设备研究，１９９５，（６）：３６周根树，等．深过冷Ｎｉ基合金在电磁场中的凝固．稀有金属材料科学与工程，１９９６，２５（２）：３８ＡｓａｉＳ．Ｂｉｒｔｈａｎｄｃｅｓｓｉｎｇｒｅｓｅｎｔａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍａ．ｇｎｅｔｉｃｐｒｏ—ｏｆｒｍｔｅｒｉａｌｓ．ＩＳＵＩｎｔ，１９８９，２９（１２）：９８１ｏｎ８ＡｓａｉＳ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃａｎｄｍａｇｅｔｉｃｆｏｒｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＩＳＵＩｎｔ，１９７８，１８：７５４ｔｈｅｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄＥｌ＿ＢａｓｓｙｏｕｎｉＴ久Ｅｆｆｅｃｔｏｆｅｌｅｃｔｍｒｍｇｎｅｔｉｃｆｏｒｃｅｎｕｍｃａｓｔｏｎａｌｌｕｍｉ—ｓｔｒｕｃｔｕｒ巴轻金属，１９８３，３３（１２）：７３３１０刑书明，等．电场和磁场作用下的金属凝固．特种铸造及有色合金，１９９８，（６）：３７１１马娟萍，等．强磁场对定向凝固Ｐｂｓｎ共晶生长影响的初步万方数据 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磁场作用下的金属凝固研究进展
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
王建元， 陈长乐， WANG Jianyuan， CHEN Changle西北工业大学应用物理系,西安,710072材料导报
MATERIALS REVIEW2006,20(5)3次
参考文献(39条)
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本文读者也读过(8条)
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2. 邢书明.徐亚荣.胡汉起.刘秉顺.Xing Shuming.Xu Yarong.Hu Hanqi.Liu Bingshun 电场和磁场作用下的金属凝固[期刊论文]-特种铸造及有色合金1998(6)
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引证文献(3条)
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