二元合金定向凝固中内生热电流与外加磁场交互作用的研究

【摘要】如何有效地控制金属凝固过程进而获得具有优良性能的金属材料一直是冶金工作者们的研究热点。施加磁场，以其能够非接触地控制金属熔体的流动，调节晶体生长的取向等优势自上个世纪50年代起就被广泛的应用于控制金属凝固过程。然而，人们对磁场下金属凝固行为的理解至今还十分有限。例如长久以来一直认为施加稳恒磁场能够抑制金属凝固中熔体的流动，而一些实验结果却发现稳恒磁场同样可以产生流动。这一‘意料之外’的‘新’流动正是金属凝固过程中固-液界面上固有的热电流与外加磁场交互作用的结果——热电磁流。虽然已经有一些关于金属凝固中热电磁流研究的报道，但尚未见到针对金属凝固中内生热电流和外加磁场交互作用的系统研究。鉴于此，本文以二元Al-Cu合金为研究对象，采用数值模拟，同步辐射原位观察以及定向凝固的方法证实了二元合金定向凝固中确实存在热电磁效应(指热电流与外加磁场交互作用而产生的热电磁力及热电磁流)，并且考察了他们对凝固组织的影响。本文首先对金属凝固中的内生热电流与外加磁场邂逅的过程进行了综述，之后，通过图示模型的方法介绍了金属凝固过程中存在的热电现象以及热电磁效应的产生。为了更直观地展现金属凝固过程中的热电磁效应，在对其进行理论公式推导之后本文又对金属定向凝固中固-液界面处的热电流，热电磁力以及热电磁流进行了数值模拟。模拟结果发现，热电磁流随磁场强度的增加先加速至最大值后随着进一步升高的磁场强度而减慢，固相中的热电磁力则随着磁场强度的增大而持续增大。为了给出更具说服力的证据证明磁场下金属凝固中热电磁效应的存在，本文采用同步辐射原位观察的方法对Al-Cu合金定向凝固过程进行了实时观测。通过与分析计算的热电磁力驱动的球形颗粒运动的对比发现，观察到的横向磁场下的晶粒（断裂枝晶）运动是其受到热电磁力作用的结果。另外，通过对比有无磁场下定向凝固中固-液界面形状的变化，以及对原位观察实验条件下产生热电磁流的3维数值模拟发现，磁场下固-液界面形状由倾斜到平直的过程正是热电磁流的作用结果。进而，本文采用定向凝固单相Al-Cu合金的方法考察了热电磁效应是否能够影响较大试样的凝固组织。实验结果显示，无论是平界面，胞晶界面，还是枝晶界面，其形状都将受到热电磁流的影响，并且，界面形状的变化规律与热电磁流随磁场强度的变化规律一致。对于具有较小特征尺寸生长形态而言，热电磁流在更大的磁场强度下才能够达到其最大速度，这与热电磁流的数值评估结果相一致。磁场下金属定向凝固中热电磁效应的3维数值模拟还发现，当施加轴向磁场时，固相中的热电磁力将产生扭矩，横向磁场的施加将使得固相受到单一方向热电磁力的作用。进一步地，本文将对热电磁效应对凝固组织影响的考察扩大到近共晶Al-Cu合金的定向凝固。实验发现，无论是亚共晶的Al-26wt.%Cu还是过共晶的Al-40wt.%Cu合金，他们的糊状区长度都随着施加磁场强度的增加(<1T)而变化，并且具有与热电磁流随磁场增加相同的变化规律。另外，强磁场促进亚共晶合金定向凝固中伪共晶组织的出现，而对于过共晶合金而言，强磁场的施加促进了初生Al2Cu相的生长。差热分析表明，前者是由于强磁场影响了不同相的形核温度以及凝固速度，进而促进了共晶组织的生长。透射电镜分析发现，强磁场下获得的小平面Al2Cu相具有更多的位错，而凝固中固相受力是缺陷增殖的直接原因，因此可以认后者是初生Al2Cu相受到热电磁力的结果。
【作者】王江；
【导师】任忠鸣；钟云波；
【作者基本信息】上海大学，钢铁冶金，2014，博士
【关键词】热电磁力；热电磁流；热电磁效应；定向凝固；二元合金；

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