螺旋磁場(chǎng)對(duì)鎳基高溫合金GH4169凝固及成分偏析的影響

王 勃，許寶卉，王付杰，王月宇

(1. 運(yùn)城學(xué)院 機(jī)電工程系；2. 運(yùn)城學(xué)院 圖書館，山西 運(yùn)城 044000)

引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)金屬材料性能的要求愈發(fā)嚴(yán)格。成分偏析是一種在合金凝固過程中會(huì)普遍發(fā)生，且會(huì)導(dǎo)致合金凝固組織中各溶質(zhì)元素分布不均勻的凝固行為，它會(huì)嚴(yán)重影響金屬材料的機(jī)械性能，進(jìn)而惡化材料的使役性能[1]。早在20世紀(jì)30年代，電磁場(chǎng)由于其非直接接觸的特性，便在金屬凝固偏析的控制領(lǐng)域有了初步應(yīng)用[2,3]。而后，為了提高連鑄坯質(zhì)量，人們將電磁場(chǎng)應(yīng)用到冶金連鑄生產(chǎn)過程中，如今，電磁攪拌器對(duì)于各個(gè)鋼鐵企業(yè)的重要性也越來越高。從20世紀(jì)60年代開始針對(duì)電磁場(chǎng)對(duì)金屬凝固過程影響的研究大量涌現(xiàn)。王曉東等[4]開發(fā)了一種模式行波磁場(chǎng)，并將其用于對(duì)金屬液的電磁攪拌，結(jié)果表明金屬液流動(dòng)強(qiáng)度高于4 Hz的頻率時(shí)不再增加；Willers等[5]將低頻脈沖磁場(chǎng)應(yīng)用于Al-7%Si合金的凝固過程，研究發(fā)現(xiàn)，在合適的參數(shù)情況下，通過改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的模式頻率，可以明顯改善鑄錠的宏觀偏析。

在金屬凝固前沿液相區(qū)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)能提供較好的攪拌效果，而行波磁場(chǎng)則能提供較好的混勻效果，二者疊加形成的螺旋磁場(chǎng)因兼具二者的特點(diǎn)引起了人們極大的研究興趣。Cramer等[6]研究了螺旋磁場(chǎng)對(duì)所驅(qū)動(dòng)的湍流強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，在電磁力處于同一量級(jí)的情況下，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在螺旋磁場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，金屬液的流動(dòng)行為與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下一致；張楠等[7]則以Sn-Pb合金為對(duì)象研究了螺旋磁場(chǎng)對(duì)其凝固偏析的影響，發(fā)現(xiàn)螺旋磁場(chǎng)在消除成分偏析和細(xì)化晶粒方面較旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)更有優(yōu)勢(shì)；王勃等[8]研究了螺旋磁場(chǎng)對(duì)Al-7%Si合金凝固及成分偏析的影響，結(jié)果表明，螺旋磁場(chǎng)在一定程度上改善了合金的成分偏析，促進(jìn)了CET過程，模式螺旋磁場(chǎng)的作用效果更優(yōu)。本文以GH4169合金為對(duì)象，在其凝固過程中施加了不同形式的螺旋磁場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比研究，探討了螺旋磁場(chǎng)對(duì)GH4169合金凝固和成分偏析的影響，為電磁場(chǎng)在提高合金性能方面的深入應(yīng)用夯實(shí)基礎(chǔ)。

1. 實(shí)驗(yàn)裝置及方案

(a)俯視圖 (b)主視圖圖1 線圈型螺旋磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

研究中開發(fā)了線圈型螺旋磁場(chǎng)體，該螺旋磁場(chǎng)體由第一組線圈和第二組線圈在空間同軸疊加組裝而成；如圖1(a)所示的第一組線圈垂直套在鐵芯上，第一組線圈包括繞組A、B、C、D、E和F，其中A和D、B和E、C和F分別串聯(lián)構(gòu)成三相線圈，三相線圈的同名端采用星形連接并通三相正交流電，可在第一組三相線圈的心部形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。如圖1(b)所示的第二組線圈相間水平環(huán)繞嵌在鐵芯的芯齒槽內(nèi)，包括繞組a、b、c、d、e和f六個(gè)繞組，與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生方式相同，a和d、b和e、c和f分別串聯(lián)構(gòu)成三相線圈，三相線圈的同名端采用星形連接并通三相正交流電，可在其心部形成行波磁場(chǎng)。兩組線圈同時(shí)通交流電即可疊加形成螺旋磁場(chǎng)。圖2為線圈型模式螺旋磁場(chǎng)的發(fā)生裝置，整體裝置由攪拌器控制系統(tǒng)、電磁攪拌器本體和冷卻系統(tǒng)三部分組成。圖2(a)為整個(gè)裝置的控制柜，圖2(b)是線圈本體，實(shí)驗(yàn)在線圈中間的圓柱空心區(qū)域進(jìn)行，圖2(c)是冷卻水箱，線圈在工作的時(shí)候發(fā)熱，需要采用冷卻水冷卻。

(a)攪拌器控制系統(tǒng)：主要由控制柜、變頻電源柜及低壓配電柜等部分組成。系統(tǒng)內(nèi)PLC采用SIEMENS系列產(chǎn)品，工控機(jī)采用臺(tái)灣研華系列，低頻電源變頻變壓部分采用進(jìn)口的專用變頻器件。

(b)電磁攪拌器：由外殼和感應(yīng)器組成，感應(yīng)器的六個(gè)線圈繞組可分別產(chǎn)生周向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、軸向的行波磁場(chǎng)及疊加而成的螺旋磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)合金溶液在圓周方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和在軸向的上下運(yùn)動(dòng)，起到均勻材料內(nèi)各項(xiàng)組分的均勻的作用。

(c)冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)主要由冷卻水箱和循環(huán)泵組成。循環(huán)泵將水箱中的水泵入線圈內(nèi)，然后從出水管回到水箱中完成循環(huán)。工作之前，應(yīng)先打開水泵冷卻后開線圈。

(a)攪拌器控制系統(tǒng) (b)電磁攪拌器 (c)冷卻水箱圖2 線圈型模式螺旋磁場(chǎng)發(fā)生裝置

本研究所采用的線圈型磁場(chǎng)裝置產(chǎn)生磁場(chǎng)的強(qiáng)弱可通過頻率及電流等控制參數(shù)調(diào)節(jié)，當(dāng)運(yùn)行方式設(shè)置為交替運(yùn)行時(shí)，可產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)方向周期性改變的模式螺旋磁場(chǎng)。螺旋磁場(chǎng)的運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 螺旋磁場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)

實(shí)驗(yàn)選定商業(yè)高溫鎳基合金GH4169來研究模式磁場(chǎng)對(duì)凝固偏析的改善作用。GH4169合金是一種沉淀強(qiáng)化型鎳基變形高溫合金，熔點(diǎn)為1290 ℃，其化學(xué)成分見表2。實(shí)驗(yàn)中先將GH4169鑄錠置于剛玉弧形坩堝中經(jīng)高溫電爐(型號(hào)BLMT-1800，洛陽博萊曼特試驗(yàn)電爐有限公司)熔化，而后將坩堝取出整體置于電磁攪拌器心部圓柱形區(qū)域中心位置進(jìn)行凝固實(shí)驗(yàn)。

表2 鎳基高溫合金主要成分(wt%)

本文研究了未加磁場(chǎng)、施加單向螺旋磁場(chǎng)以及施加模式螺旋磁場(chǎng)三種磁場(chǎng)形式下鎳基GH4169合金的凝固及偏析情況，如表3所示。待合金凝固過程完成后對(duì)鑄錠脫模，將鑄錠沿中心縱剖一分為二并銑平，用砂紙進(jìn)行打磨拋光。一半鑄錠取6個(gè)采樣點(diǎn)采樣進(jìn)行溶質(zhì)成分測(cè)定以研究成分偏析情況，圖3為采樣點(diǎn)的位置分布。另一半鑄錠用鹽酸與雙氧水混合液(體積比H2O2∶HCL=1∶3)的腐蝕液進(jìn)行金相腐蝕，用于觀察鑄錠的宏觀組織。

表3 實(shí)驗(yàn)方案

圖3 采樣點(diǎn)位置示意圖

2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 螺旋磁場(chǎng)分布規(guī)律

利用TM-701型特斯拉計(jì)測(cè)量的攪拌器螺旋磁場(chǎng)分布情況如圖4所示，H=0，r=0處為攪拌器圓柱體幾何中心點(diǎn)。從4(a)圖中可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度總體呈現(xiàn)中心強(qiáng)、兩端弱的特點(diǎn)，在攪拌器中心軸線兩端處衰減幅度較大，±200 mm范圍內(nèi)衰減幅度較小，可以認(rèn)為軸向±200 mm范圍內(nèi)均為磁場(chǎng)有效作用區(qū)域，本實(shí)驗(yàn)中合金液中心點(diǎn)位于軸向+25 mm處，故整體合金液均位于該攪拌器磁場(chǎng)有效作用區(qū)域。從4(b)圖中可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度總體呈現(xiàn)兩端強(qiáng)、中心弱的特點(diǎn)，在中心處衰減幅度較小，故可以認(rèn)為整個(gè)徑向范圍均為磁場(chǎng)有效作用區(qū)域。

圖4 線圈型螺旋磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度分布規(guī)律

2.2 凝固宏觀組織

圖5為不同磁場(chǎng)條件下GH4169合金宏觀組織照片，可以看出，三次實(shí)驗(yàn)條件下凝固鑄錠均出現(xiàn)了不同程度的氣孔缺陷，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件下的鑄錠中心部位液相最后凝固，體積收縮得不到液相補(bǔ)充而引起凝固收縮出現(xiàn)氣孔。圖5(a)中未施加磁場(chǎng)，凝固過程在自然對(duì)流條件下進(jìn)行，鑄錠斷面上幾乎全為粗大的柱狀晶，圖5(b)中施加單向螺旋磁場(chǎng)后，鑄錠內(nèi)部發(fā)生了明顯的CET過程，等軸晶區(qū)域顯著增大；圖5(c)中施加模式螺旋磁場(chǎng)后，等軸晶在縱剖面上已占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位，且晶粒分布更為均勻細(xì)密，但在鑄錠邊緣出現(xiàn)了裂紋。

圖5 不同磁場(chǎng)條件下GH4169合金宏觀組織

從以上的結(jié)果可知，螺旋磁場(chǎng)的施加顯著促進(jìn)了CET過程，明顯增大了等軸晶區(qū)域，這是因?yàn)榇艌?chǎng)在凝固前沿液相區(qū)形成的強(qiáng)迫對(duì)流對(duì)枝晶臂起到?jīng)_刷作用，使得枝晶斷裂，形成了大量細(xì)小的游離晶，進(jìn)而促進(jìn)了細(xì)密的等軸晶組織的產(chǎn)生，而模式螺旋磁場(chǎng)更加強(qiáng)化了這種對(duì)流作用，等軸晶晶粒更為細(xì)化。

凝固過程施加電磁攪拌，由電磁感應(yīng)原理，合金液內(nèi)部會(huì)相繼產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)ε和感應(yīng)電流I，合金液會(huì)受到磁場(chǎng)與感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生的洛倫茲力。同時(shí)，由于螺旋磁場(chǎng)是兼具旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和行波磁場(chǎng)的特點(diǎn)，合金液除了受到旋轉(zhuǎn)平面的徑向力和周向力外，還受到沿軸線上下方向的行波力，故螺旋磁場(chǎng)使合金液處于強(qiáng)烈的三維對(duì)流狀態(tài)，而模式螺旋磁場(chǎng)則周期性地改變著這種三維流動(dòng)，使得合金液內(nèi)部形成穩(wěn)定的往返流動(dòng)，更有利于柱狀晶的斷裂，進(jìn)而形成更為細(xì)密的等軸晶組織。由于模式螺旋磁場(chǎng)的參數(shù)直接決定了合金液的流動(dòng)形態(tài)，從往返流動(dòng)作用的時(shí)間來看，模式周期及磁場(chǎng)強(qiáng)度的選擇是下一步研究的方向。

2.3 鑄錠成分偏析

三種實(shí)驗(yàn)條件下，采樣點(diǎn)的平均值分別為51.35%、52.68%、51.84%，均較接近于52.5%的名義值。不同磁場(chǎng)形式對(duì)GH4169合金軸向成分偏析的影響情況以1#、2#、3#采樣點(diǎn)為例說明，其結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，未施加磁場(chǎng)時(shí)鑄錠的成分偏析非常嚴(yán)重，上部含量遠(yuǎn)小于中下部含量，施加螺旋磁場(chǎng)后，成分偏析明顯減輕，且單向螺旋磁場(chǎng)的效果明顯優(yōu)于模式螺旋磁場(chǎng)，上部和中部鎳含量差僅為0.35%，成分偏析幾乎消除。

圖6 不同磁場(chǎng)形式下Ni含量分布

表4 不同磁場(chǎng)形式下GH4169鑄錠徑向成分偏析情況

3. 結(jié)論

(1)本實(shí)驗(yàn)中的圓柱形螺旋磁場(chǎng)攪拌器工作空間中的下磁場(chǎng)分布呈現(xiàn)出軸向中心強(qiáng)兩端弱，而徑向相對(duì)均勻的特點(diǎn)，有效的磁場(chǎng)工作區(qū)域?yàn)檩S向±200 mm、徑向±80 mm。

(2)由于磁場(chǎng)在凝固前沿液相區(qū)形成的強(qiáng)迫對(duì)流沖刷枝晶臂使得枝晶斷裂，形成了大量細(xì)小的游離晶，從而促進(jìn)了細(xì)密的等軸晶組織的產(chǎn)生，螺旋磁場(chǎng)的施加促進(jìn)了CET過程，顯著增大了等軸晶區(qū)域，模式螺旋磁場(chǎng)的效果優(yōu)于單向螺旋磁場(chǎng)，等軸晶晶粒更為細(xì)化。

(3)鎳基GH4169合金鑄錠截面的溶質(zhì)濃度分布情況，在自然對(duì)流條件下，鑄錠的成分偏析較為嚴(yán)重，施加螺旋磁場(chǎng)后鑄錠的軸向成分偏析顯著減輕。

(4)模式螺旋磁場(chǎng)能夠促進(jìn)CET過程，減輕鑄錠的偏析程度。只有在較合理的模式參數(shù)控制下，才能更好地發(fā)揮模式磁場(chǎng)的作用。未來的研究工作應(yīng)著重于電流強(qiáng)度、模式頻率等控制參數(shù)與合金液流動(dòng)速度及凝固速率之間的匹配關(guān)系。