電磁場作用下半固態(tài)合金熔體流動行為對凝固組織的影響

（江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

經(jīng)過多年的發(fā)展，合金的半固態(tài)加工已成為新興的一項(xiàng)高性能精確成形制造范疇的技術(shù)，具有高效節(jié)能的特點(diǎn)，該技術(shù)主要包含半固態(tài)金屬漿料制備工藝和半固態(tài)金屬成形過程[1]。半固態(tài)漿料中關(guān)乎其質(zhì)量的初生固相的大小、形貌和分布、固相率均需在漿料制備階段控制。

近10 多年來，人們在半固態(tài)金屬漿料先進(jìn)制備工藝的研究和應(yīng)用中獲得了重要進(jìn)展，先后出現(xiàn)了諸多半固態(tài)合金漿料的先進(jìn)制備工藝[2]，為半固態(tài)合金加工技術(shù)的推廣做出了重要貢獻(xiàn)。該技術(shù)的一個(gè)極為關(guān)鍵問題是如何制備優(yōu)質(zhì)的半固態(tài)合金漿料或具有非枝晶的坯料。

就目前半固態(tài)漿料制備技術(shù)的研究和應(yīng)用來看，多數(shù)工藝技術(shù)都會應(yīng)用各種外場對處于固液兩相區(qū)間的合金熔體實(shí)施擾動而產(chǎn)生強(qiáng)制流動，達(dá)到調(diào)控合金凝固過程的目的。由外場擾動引起的這種流動可加速合金凝固時(shí)的能量、動量和質(zhì)量傳輸，使溫度場、溶質(zhì)場變得更加均勻，有利于破碎的樹枝晶熟化并向球狀晶轉(zhuǎn)變，最終獲得所需要的凝固組織形貌[3]。

電磁場是應(yīng)用于半固態(tài)合金加工的主要外場之一。將電磁場技術(shù)應(yīng)用于制備半固態(tài)合金漿料的優(yōu)點(diǎn)是：與合金熔體非接觸、零污染，易實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，效率高。為了促進(jìn)電磁場在半固態(tài)合金加工中的應(yīng)用，還需要深入研究半固態(tài)合金熔體在電磁場作用下的流動特性與作用，逐步認(rèn)清半固態(tài)合金漿料的流動對合金凝固過程和凝固組織的影響規(guī)律，闡明半固態(tài)漿料中非枝晶組織在強(qiáng)制流動中的演變過程，創(chuàng)建調(diào)控半固態(tài)合金組織性能的措施，為復(fù)雜的高性能零部件的精確成形與制造提供技術(shù)支撐。

1 電磁場對半固態(tài)合金的流動行為的影響

1.1 電磁場攪拌技術(shù)在半固態(tài)合金漿料制備中的應(yīng)用

20 世紀(jì)初出現(xiàn)了將電磁場攪拌技術(shù)應(yīng)用于金屬加工的設(shè)想，約20 年后美國人Mcneill J D 申請并獲得了世界上首個(gè)電磁攪拌技術(shù)的專利。20 世紀(jì)50 年代初德國企業(yè)Huchkingen 在金屬連鑄生產(chǎn)工藝中首次使用了電磁場攪拌技術(shù)，取得了良好的效果[4]。電磁場攪拌的工作原理是通過變化的電磁場在金屬熔體內(nèi)部中的電磁感應(yīng)產(chǎn)生電磁力（Lorentz 力），進(jìn)而驅(qū)動金屬熔體產(chǎn)生強(qiáng)制流動的攪拌方式，如圖1 所示。由于電磁力的攪拌可在半固態(tài)合金熔體內(nèi)部產(chǎn)生三維強(qiáng)制對流，使正在生長的初生相被粘稠的合金熔體沖刷、折斷，繼而相互碰撞，形成許多破碎枝晶；在持續(xù)的電磁攪拌作用下，熔體中溫度場、濃度場變得更加均勻，破碎枝晶的形貌在熟化過程中向薔薇狀、顆粒狀演變，最終形成了半固態(tài)合金的非枝晶組織[5]。

圖1 電磁攪拌原理Fig.1 Principle of electromagnetic stirring

根據(jù)電磁場攪拌裝置產(chǎn)生磁場類型的不同，電磁場攪拌裝置可分為直線電磁攪拌器、旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器以及螺旋電磁攪拌器，各類電磁場攪拌裝置的示意圖如圖2 所示[6]。

根據(jù)電磁場攪拌裝置的攪拌位置不同，其相應(yīng)的作用也不同，電磁攪拌裝置又可分為結(jié)晶電磁攪拌器（M-EMS）、二冷區(qū)電磁攪拌器（S-EMS）、凝固末端電磁攪拌器（F-EMS）[7]，如圖3 所示。

圖2 電磁場攪拌裝置Fig.2 Electromagnetic stirring instrument

圖3 各段電磁場攪拌器的安裝位置Fig.3 Installing place for electromagnetic stirrer in each position

在半固態(tài)合金漿料的制備過程中，由電磁場攪拌合金熔體的流動方式來看，電磁場攪拌可分為水平式、垂直式和螺旋式3 種形式，如圖4 所示。隨著科學(xué)水平提升和技術(shù)進(jìn)步，近年來電磁場攪拌工藝也在不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，出現(xiàn)了諸如復(fù)合電磁攪拌法[8]和環(huán)縫式電磁攪拌法[9]等先進(jìn)工藝，推進(jìn)了半固態(tài)合金技術(shù)向前發(fā)展。張志峰等[10]采用自行設(shè)計(jì)的電磁場攪拌設(shè)備，研究了不同工藝參數(shù)下，單一施加或復(fù)合施加電磁攪拌方式對A357 合金微觀組織的影響，結(jié)果表明，單一施加旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電磁攪拌或單一施加無芯感應(yīng)電磁攪拌時(shí)，漿料徑向凝固組織皆不均勻，只有增大電流時(shí)，單一施加無芯感應(yīng)電磁攪拌制備的漿料質(zhì)量才有明顯的改善。若將旋轉(zhuǎn)感應(yīng)和無芯感應(yīng)進(jìn)行復(fù)合電磁攪拌，可在電流較小時(shí)獲得較好的漿料質(zhì)量。Zhu 等[11]對圓柱坩堝進(jìn)行了改造，通過引入一根空心石墨棒獲得了環(huán)縫式坩堝，并應(yīng)用這只坩堝研究了冷卻速率、電磁攪拌功率和攪拌時(shí)間對半固態(tài)合金凝固組織的影響，當(dāng)在冷卻速率較快和電磁攪拌功率較大的條件下，攪拌 10 s 就可獲得圓整細(xì)小的半固態(tài)A357 鋁合金漿料組織。Liu 和Mao[12]將局部激冷與低過熱度澆注和弱電磁攪拌結(jié)合，研制了制備半固態(tài)A356 合金漿料的新工藝，即在電磁攪拌過程中，將一根紫銅棒引入不銹鋼圓筒內(nèi)的液態(tài)合金中，提拉幾秒鐘，以此在液態(tài)合金中產(chǎn)生局部激冷效果。該工藝可顯著改善半固態(tài)A356 合金中初生α-Al 的形核率、顆粒形狀和晶粒尺寸。Itamura 等[13]研制了一個(gè)雙軸電磁攪拌器，該攪拌器包含旋轉(zhuǎn)電磁攪拌系統(tǒng)和線性行波電磁攪拌系統(tǒng)，可以用于研究不同電磁攪拌方式對漿料組織和熔體溫度的影響。研究表明，雙軸電磁攪拌方式可以使合金熔體溫度更均勻，凝固組織形貌較好，但是這個(gè)改進(jìn)了的電磁攪拌技術(shù)尚有不足，主要在于設(shè)備的線圈體積大、成本較高，與傳統(tǒng)鑄造設(shè)備安裝對接不便，攪拌合金熔體時(shí)易卷氣卷渣從而產(chǎn)生污染。這樣可能使得引入的雙重耦合攪拌喪失非接觸式攪拌的優(yōu)勢[14]，因此，在應(yīng)用電磁場攪拌設(shè)備制備半固態(tài)合金漿料時(shí)，還需要從其他的工藝參數(shù)和研究方法上針對不同的半固態(tài)合金做進(jìn)一步改進(jìn)。

圖4 3 種電磁攪拌法制備半固態(tài)漿料的形式Fig.4 Three kinds of form for preparing semisolid alloy slurry through electromagnetic stirring

江西理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)將變頻控制技術(shù)引入到電磁攪拌裝置中，形成了分級攪拌工藝[15]，可以在連續(xù)攪拌過程中變換頻率對合金熔體進(jìn)行分級攪拌，使半固態(tài)合金熔體在電磁場作用下產(chǎn)生不同強(qiáng)度和不同流速的流動，以滿足電磁攪拌在熔體凝固的初期、中期和后期對凝固組織的要求。研究表明半固態(tài)合金熔體凝固初期施加較高頻率電磁攪拌，凝固中后期稍微降低攪拌頻率，可以得到較好的微觀組織形貌和細(xì)小晶粒。后來又開發(fā)和研制了雙向電磁攪拌工藝[16]，利用雙向連續(xù)攪拌作用液態(tài)熔體形成強(qiáng)烈的紊流和慣性沖擊，加快半固態(tài)合金凝固體系的質(zhì)量傳輸、熱量傳遞。當(dāng)電磁頻率為30 Hz 時(shí)，半固態(tài)初生相的平均等積圓直徑為 38.2 μm，形狀因子為0.75。在雙向電磁攪拌工藝基礎(chǔ)上輔以熔體等溫保溫技術(shù)，形成了一種復(fù)合制備新工藝，即雙向電磁攪拌+等溫?zé)崽幚韀17]。該工藝在強(qiáng)化半固態(tài)合金熔體流動的基礎(chǔ)上，通過適當(dāng)?shù)牡葴乇?，有效調(diào)節(jié)初生晶粒的形核和生長，獲得了平均等積圓直徑為29.4 μm、形狀因子為0.86 的初生相。

1.2 熔體流動對半固態(tài)合金凝固組織的影響

合金凝固時(shí)因外部條件影響或內(nèi)部因素作用而產(chǎn)生熔體流動是普遍存在的現(xiàn)象，而合金凝固過程中出現(xiàn)的樹枝狀晶體也是常見的組織形貌，這種組織形貌的形成與合金凝固時(shí)的熔體流動具有密切的關(guān)系[18]，因此，研究合金液相流動對枝晶形成的作用，如何盡量消除枝晶對合金組織性能的不利影響，是凝固科學(xué)一個(gè)非常有意義的工作。實(shí)踐已表明，金屬凝固過程中施加磁場是改善組織結(jié)構(gòu)、提高組織性能的重要方法之一[19—21]。20 世紀(jì)60 年代，Johnston 等[22]嘗試了將電磁場攪拌引入到Sn-Pb 合金凝固組織的研究中，結(jié)果表明電磁場可以大幅度提高合金形核的數(shù)量，電磁場攪拌使枝晶臂破碎，從而增加了晶核數(shù)目，促進(jìn)了等軸晶細(xì)化。Lin[23]從流體的密度、擴(kuò)散系數(shù)、粘度、流道寬度及流速對流體擴(kuò)散進(jìn)行了分析和數(shù)值模擬，結(jié)果表明擴(kuò)散與流動距離、擴(kuò)散系數(shù)、流動密度和流速存在特定的函數(shù)關(guān)系，粘稠度影響流體速度梯度但并不直接影響擴(kuò)散。潘冶[24]等采用控制結(jié)晶法制備球狀組織的半固態(tài)ZL101 鋁合金，研究了結(jié)晶初期熔體流動對球狀初生相形成的作用，結(jié)果顯示球狀晶粒不僅受澆鑄溫度影響，還受充型方式影響。Trivedi[25]等研究了不同凝固速率和溫度梯度情況下，Al-Cu 合金試樣定向凝固過程中的液相流動對平界面、胞狀晶和樹枝晶生長的影響，發(fā)現(xiàn)液相流動可以抑制平界面向胞狀晶的轉(zhuǎn)變，同時(shí)也增大了胞枝晶轉(zhuǎn)變的臨界速度。Shin[26]等在CA 模型中考慮了強(qiáng)制對流對枝晶形貌的影響，模擬結(jié)果出現(xiàn)了迎流生長的現(xiàn)象。旋轉(zhuǎn)磁場能夠消除Sn-Bi 合金的宏觀偏析、碎斷枝晶和細(xì)化凝固組織，加快了熔體流動和固-液界面溶質(zhì)的擴(kuò)散速度，隨著磁場旋轉(zhuǎn)頻率的增大，合金的生長形態(tài)經(jīng)歷了從枝晶→等軸晶→球狀晶→枝晶的轉(zhuǎn)變，旋轉(zhuǎn)磁場還加快了熔體流動，促進(jìn)了熔體中溶質(zhì)場和溫度場在分布上趨于均勻化[27]。應(yīng)用脈沖系列磁場對Al-Si 合金熔體實(shí)施攪拌時(shí)發(fā)現(xiàn)，在較大頻率下正反換向的旋轉(zhuǎn)磁場幾乎可抑制偏析產(chǎn)生，獲得近乎百分之百的等軸晶組織[28]。Hideyuki Yasuda[29]等研究了交替靜磁場作用下熔體流動對中碳鋼凝固組織的影響。對于低過冷區(qū)的凝固，隨著靜磁場強(qiáng)度的增加，熔體流動逐漸減弱，隨著熔體流動速度減小，凝固組織中等軸晶組織的數(shù)量也減少。Poole 等研究了電磁攪拌對A1-4.5Cu 合金凝固組織的影響，發(fā)現(xiàn)在電磁場作用下，合金凝固組織由無磁場的等軸晶變?yōu)橥耆闹鶢罹В⑶掖_定了最終的晶粒尺寸以及線圈工作頻率對溶質(zhì)偏析的影響[30]。在電磁場引起的強(qiáng)制對流作用下，凝固前沿的壓力差驅(qū)使溶質(zhì)在糊狀區(qū)域流動，當(dāng)溶質(zhì)在偏析通道富集到足夠高時(shí)，可使溶質(zhì)濃度達(dá)到共晶成分[31]。Liu 等研究了高強(qiáng)磁場對Al-Si 合金的影響，發(fā)現(xiàn)隨著冷卻速率的增加，磁場可降低Al-Si 合金的二次枝晶臂，這與枝晶和共晶組織生長過程中固/液凝固前沿液相中溶質(zhì)原子擴(kuò)散速率下降有關(guān)[32]。Metan 等[33]通過晶粒細(xì)化和電磁攪拌來控制晶粒尺寸，進(jìn)而控制Al-Si 合金的機(jī)械和物理性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過對合金熔體施加向上和向下的電磁場對在凝固過程中的熔體進(jìn)行強(qiáng)制對流，導(dǎo)致了初生相組織的細(xì)化、球化，進(jìn)而提升了合金的機(jī)械和物理性能。利用低頻率電磁攪拌制備半固態(tài)A356-Y合金漿料可獲得初生相的等積圓直徑和形狀因子，其數(shù)值分別達(dá)到65 mm 以下和0.80 以上，稀土Y 在電磁場引起的熔體強(qiáng)制對流驅(qū)動下，其分布沿著鑄錠的半徑趨于邊緣富集，而且隨著電流頻率增大，稀土Y在鑄錠邊緣富集程度增大[34]。弱熔體對流對定向凝固組織生長有顯著的作用，平均界面過冷度與熔體流動強(qiáng)度有關(guān)，當(dāng)生長速度一定時(shí)，隨著流動強(qiáng)度增大，平均界面過冷度減小[35]。張嘉藝等[36]研究了半固態(tài)A356 稀土合金熔體在施加電磁攪拌后的溫度場分布規(guī)律以及電磁場對半固態(tài)A356 稀土合金熔體中初生α相形貌演變的影響，電磁攪拌下引起的熔體流動可使溫度場分布更加均勻，半固態(tài)A356-Yb 合金初生相的平均等積圓直徑為62.3 μm，平均形狀因子為0.78，晶粒圓整細(xì)小，組織形貌最佳。張威武等[37]研究發(fā)現(xiàn)，在旋轉(zhuǎn)電磁攪拌條件下鎂合金熔體在水平方向上圍繞結(jié)晶器中心做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度從0 增大到100 Gs，水平方向流速從0 增大到6 mm/s，熔體凝固速度加快，結(jié)晶器內(nèi)液相穴深度從20.2 cm減小到10.6 cm，結(jié)晶器中心到邊部溫度梯度減小。電磁攪拌條件下，鎂合金凝固組織中等軸晶比率增大，當(dāng)電磁感應(yīng)強(qiáng)度增大到40 Gs 時(shí)，晶粒平均尺寸由未攪拌時(shí)的366 μm 變?yōu)?10 μm。陳濤等[38]應(yīng)用低過熱度澆注、雙向低頻電磁攪拌和稀土元素細(xì)化處理復(fù)合技術(shù)制備了半固態(tài)A356-La 鑄錠，研究了磁場頻率對合金鑄錠徑向顯微組織和稀土元素分布規(guī)律的影響，磁場頻率增加，晶粒球化程度顯著，生長方式由枝晶向球晶轉(zhuǎn)變，徑向組織以及稀土元素點(diǎn)狀彌散分布均勻性增強(qiáng)，磁場頻率為25 Hz 時(shí)半固態(tài)初生相平均等積圓直徑和形狀因子分別為36.2 μm 和0.82。正是由于電磁場對半固態(tài)合金凝固過程的干擾，不僅使其成為非平衡過程，而且所獲得的凝固組織具有非線性特征，半固態(tài)A356 鋁合金初生相形貌屬于一種分形結(jié)構(gòu)，不同工藝制備的初生相形貌有不同的分形維數(shù)，其凝固過程是一個(gè)分形維數(shù)變化的過程[39]。

2 數(shù)值模擬技術(shù)在解析半固態(tài)合金流動行為中的應(yīng)用

由于半固態(tài)合金制備過程中電磁場引起的熔體流動行為以及對凝固過程的影響發(fā)生在高溫下，也不易觀察，對實(shí)驗(yàn)研究熔體流動在半固態(tài)合金加工中的作用、開發(fā)新型制備工藝、優(yōu)化制備參數(shù)等帶來極大的不便，因此，需要借助和引進(jìn)先進(jìn)的方法、手段來提升當(dāng)前涉及電磁場應(yīng)用、半固態(tài)合金熔體流動、凝固過程控制與優(yōu)化等問題研究的技術(shù)水平，彌補(bǔ)現(xiàn)行研究方法和實(shí)驗(yàn)手段的短板，更好地揭示電磁場作用下半固態(tài)合金熔體的流動性狀與規(guī)律，降低半固態(tài)合金加工的成本，簡化半固態(tài)合金研究過程，使產(chǎn)品的質(zhì)量可靠。這些年隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是各種應(yīng)用軟件的成熟和商業(yè)化，為數(shù)值模擬技術(shù)在半固態(tài)合金加工中的研究和應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

首先，各國的研究人員對半固態(tài)合金熔體流動有關(guān)的二維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究。訾炳濤等[40]用ANSYS有限元數(shù)值模擬軟件對鋁合金熔體凝固過程中的流場作了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相符合。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，用數(shù)值模擬的方法不僅可以初步了解凝固過程中熔體的流動狀態(tài)，還可以了解凝固組織細(xì)化和產(chǎn)生缺陷的原因。Chowdhury 等[41]針對連續(xù)整體的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，并和電磁攪拌技術(shù)制備的半固態(tài)合金漿料的結(jié)果做了對比，發(fā)現(xiàn)兩者的結(jié)果吻合，表明所建立的數(shù)學(xué)模型真實(shí)、可靠。陳興潤等[42]基于耦合的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合有限元和有限差分方法，對電磁攪拌條件下半固態(tài)合金中的電磁場、流場和溫度場進(jìn)行了耦合模擬分析，獲得了攪拌電流強(qiáng)度和頻率對熔體中電磁場、流場和溫度場分布的影響及規(guī)律。Zhang 等[43]對環(huán)縫式電磁攪拌法制備半固態(tài)漿料過程中的電磁場、流場和溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究結(jié)果表明電磁場模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，驗(yàn)證了計(jì)算模型與軟件算法的可行性。攪拌系統(tǒng)的電磁力主要分布于環(huán)縫內(nèi)，提高了對合金熔體的攪拌強(qiáng)度，加強(qiáng)了熔體的流動。采用Powerlaw cut-off（PLCO）模型可研究半固態(tài)A356 鋁合金漿料的流場，結(jié)合有限元軟件ANSYS 和編程軟件INTEL FORTRAN 對電磁場、溫度場和流場進(jìn)行了耦合模擬，以探明多場攪拌參數(shù)對電磁場、溫度場和流場的影響規(guī)律，研究表明電磁場隨著攪拌頻率和電流的增加而增大，但分布不均勻，使得半固態(tài)A356 漿料流速增大且分布不均勻[44]。通過對電磁場及流場進(jìn)行建模分析，仿真結(jié)果顯示電磁攪拌器中合金熔體在電磁攪拌下的流動速度與攪拌頻率的二次方根值有關(guān)，而且呈現(xiàn)螺旋狀的湍流運(yùn)動[45]。Ebisu 建立了包含宏觀傳輸控制方程的數(shù)學(xué)模型，研究了結(jié)晶器電磁攪拌過程的磁場特征，并對磁場作用下的液態(tài)合金流動及凝固行為進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上用數(shù)值模擬方法分析了鑄坯內(nèi)的液態(tài)合金流場分布情況[46]。Chen 等通過耦合溫度場模型、溶質(zhì)擴(kuò)散方程以及枝晶生長動力學(xué)方程等重要因素，建立了一種改進(jìn)的元胞自動機(jī)模型，研究了Al-Cu-Mg 三元合金單相和多相枝晶生長時(shí)的枝晶形貌和微觀偏析，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，且各元素在枝晶間的成分分布與各元素的分配系數(shù)和溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)[47]。Sukhram 等應(yīng)用 ANSYS Fluent 模擬了圓柱形鑄型中的鋁熔體在電磁場作用下的流動與凝固情況，同時(shí)考慮了合金凝固時(shí)熔體流動速率、過熱度和初始溫度分布情況的影響[48]。Du 等利用相場法模擬了合金在強(qiáng)制對流條件下枝晶生長過程中的成分和溫度分布，結(jié)果表明液相流動引起了溶質(zhì)擴(kuò)散層厚度的變化，進(jìn)而影響了溶質(zhì)偏析，熔體流動降低了迎流方向上的溶質(zhì)偏析，但導(dǎo)致了枝晶快速生長，強(qiáng)制的熔體流動顯著影響了凝固組織的枝晶形貌、成分和溫度分布[49]。Guo 等應(yīng)用相場法研究了熔體流動條件下二元合金的枝晶生長和形貌演變，在凝固后期由于枝晶臂之間的溶質(zhì)富集導(dǎo)致了一次和二次枝晶臂的熔化[50]。

江西理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)針對建立的簡化二維電磁攪拌模型，應(yīng)用ANSYS15.0 研究了坩堝中半固態(tài)A356 鋁合金漿料受到磁感應(yīng)強(qiáng)度和電磁力后沿坩堝徑向的分布情況[51—52]。結(jié)果表明，不同尺寸（半徑）坩堝都呈現(xiàn)基本相同的規(guī)律，即磁感應(yīng)強(qiáng)度從坩堝中心沿坩堝徑向逐漸增大，在坩堝半徑大約0.85倍的位置處達(dá)到最大值，隨后接近坩堝邊緣處顯著減小。作用在熔體上的電磁力也呈現(xiàn)類似的規(guī)律，即電磁力沿著坩堝徑向逐步增大，且增大幅度越來越大，在坩堝半徑約0.9 倍的位置處電磁力達(dá)到最大值，而在坩堝邊緣處急劇減小，如圖5 所示。在電磁攪拌作用下，坩堝中半固態(tài)鋁合金熔體受到電磁力作用而產(chǎn)生水平和豎直方向上的流動，且各個(gè)方向上的流速大小不一，熔體產(chǎn)生的運(yùn)動不是單一的水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，而是方向不定的混沌流動。他們還針對非圓（橢圓形）坩堝，采用數(shù)值模擬方法研究了不同坩堝長短軸比例R和電磁攪拌頻率對半固態(tài)A356 鋁合金漿料的流動規(guī)律，以及R對半固態(tài)A356 鋁合金初生相的影響[53]。半固態(tài)A356 鋁合金在非圓坩堝短軸方向上受到的最大電磁力和最大流速表現(xiàn)為先增大后減小，而非圓坩堝長軸方向上所受最大電磁力和最大流速則是先增大后減小再增大，電磁頻率越高，非圓坩堝短軸與長軸之間的電磁力差和流速差越明顯，如圖6 和圖7 所示。在非圓坩堝中實(shí)施電磁攪拌時(shí)，電流強(qiáng)度和電磁頻率都可明顯地影響合金熔體中所受到的電磁力差，其中電流強(qiáng)度對調(diào)控電磁力差的作用要強(qiáng)于電磁頻率，而合金熔體的流速差對電流強(qiáng)度和電磁頻率的敏感程度不如電磁力差，但是，電流強(qiáng)度對熔體流速差的影響要略強(qiáng)于電磁頻率。當(dāng)電磁頻率和坩堝長短軸比例分別為30 Hz 和1.1 時(shí)，非圓坩堝長軸和短軸上的最大流速分別為153.6 和143.2 mm/s，流速差最小，此時(shí)可制備出較優(yōu)的半固態(tài)A356 鋁合金漿料。

圖5 30 Hz 電磁頻率下坩堝徑向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度和電磁力分布Fig.5 Distribution of magnetic flux density and electromagnetic force in radial direction of crucible at 30 Hz

圖6 不同坩堝長短軸比例和電磁頻率下的最大電磁力Fig.6 The maximum electromagnetic force under the different major and minor axial ratios of crucible and electromagnetic frequencies

圖7 不同坩堝長短軸比例和電磁頻率下的最大流速Fig.7 The maximum flow rates under different major and minor axial ratios of crucible and electromagnetic frequencies

應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)研究半固態(tài)合金熔體中電磁場作用引起的流動特性過程中，還有新發(fā)現(xiàn)。使用CFD-Fluent 流體力學(xué)軟件模擬電磁場中鋁熔液微粒運(yùn)動軌跡，通過Matlab 分析計(jì)算了這些流動軌跡的混沌特征參數(shù)：最大Lyapunov 指數(shù)及Kolmogorov熵，對其進(jìn)行了混沌特征判斷及分析，結(jié)果表明，鋁合金熔體在電磁場作用下的流動具有混沌特性，電磁頻率為5～30 Hz 時(shí)，鋁合金熔體中都發(fā)生了混沌對流[54]。電磁場導(dǎo)致熔體的混沌流動可以增強(qiáng)粘性流體在層流狀態(tài)下的溶質(zhì)擴(kuò)散、遷移、混合等，有利于獲得非枝晶初生相和改善半固態(tài)合金初生相的形貌尺寸[55]。

在二維數(shù)學(xué)模型研究工作的基礎(chǔ)上，研究人員還開展了電磁場作用下合金熔體流動的三維數(shù)學(xué)模型的仿真計(jì)算。Fujisaki 等[56]在多種電磁攪拌裝置所產(chǎn)生的電磁場和合金熔體流場研究的基礎(chǔ)上，建立了可反映交變電流激勵下電磁場以及金屬熔體運(yùn)動狀態(tài)的三維數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用此模型研究了電磁結(jié)晶器攪拌過程中的電磁場特征，闡述了電磁場擾動下合金熔體的流動特性以及凝固過程。Trindade 等[57]應(yīng)用有限元方法構(gòu)建了可研究電磁攪拌器磁感應(yīng)強(qiáng)度的三維數(shù)值模型，根據(jù)施加電流和頻率可計(jì)算電磁攪拌器的電磁力數(shù)值，計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，這為后續(xù)計(jì)算熔體流動現(xiàn)象、闡明流動規(guī)律奠定了良好基礎(chǔ)。可模擬計(jì)算合金的電磁場、溫度場和流場的三維模型已成功用于解析半固態(tài)AlSi9Mg 合金在電磁場作用下的凝固過程[58]，獲得了良好的效果。Wu 等[59]采用數(shù)值模擬方法研究了電磁場下AA3003/AA4045 鋁合金復(fù)層管坯的水平連鑄制備過程，建立了三維分析模型并對有無施加電磁場時(shí)的兩個(gè)水平連鑄過程分別進(jìn)行全面模擬與分析。數(shù)值模擬結(jié)果表明，施加旋轉(zhuǎn)電磁攪拌后，鋁合金熔體的紊流作用增強(qiáng)，糊狀區(qū)的范圍增大，糊狀區(qū)的溫度梯度減小且溫度場變得均勻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)在電磁場作用下，復(fù)層管坯組織得到細(xì)化并且復(fù)合界面的元素?cái)U(kuò)散作用增強(qiáng)。Li 等[60]在麥克斯韋方程組和低雷諾數(shù)k-ε湍流模型的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一個(gè)耦合的三維數(shù)值模型來描述大方坯結(jié)晶器中的電磁場和流場。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過對熔體施加電磁攪拌，可以有效影響熔體內(nèi)的流速。當(dāng)熔體從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程中，熔體的最大回旋流速從0.42 ms-1降低至0.226 ms-1，流速變化較為明顯。

3 結(jié)語

電磁場在半固態(tài)合金中的應(yīng)用成就了半固態(tài)合金技術(shù)的快速發(fā)展，是最常見和最成熟的半固態(tài)漿料制備方法之一。由電磁場產(chǎn)生的熔體流動，造成半固態(tài)合金的凝固是非平衡過程，其凝固組織也具有明顯的非線性特征，使得認(rèn)知半固態(tài)合金熔體的凝固規(guī)律和闡明其機(jī)理也愈加困難。與其他方法制備的合金組織一樣，電磁場作用下半固態(tài)合金凝固組織的形成和演變是一個(gè)動態(tài)過程，特別是合金凝固時(shí)電磁場擾動對溫度場、濃度場和流場的影響可改變合金熔體中溶質(zhì)的擴(kuò)散、聚集與分布，導(dǎo)致合金凝固組織形貌和性能發(fā)生變化。鑒于電磁場作用下半固態(tài)鋁合金漿料制備的非平衡、非線性的特點(diǎn)，應(yīng)該在傳統(tǒng)金屬凝固理論的基礎(chǔ)上，堅(jiān)持探索和應(yīng)用新的研究理論和方法，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，闡明機(jī)理，完善和豐富技術(shù)手段，以更好地指導(dǎo)半固態(tài)合金的研究、制備與應(yīng)用。