脈沖電流對金屬凝固組織的影響.pdf

1、脈沖電流對金屬凝固過程具有重要影響。研究電流對凝固組織的作用規(guī)律，探討其作用機(jī)理是材料制備領(lǐng)域的重要研究課題。本文采用自主研制的中頻脈沖電源，以純鋁、純銅和鋁硅、鋁銅二元合金為研究對象，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究方法，探討了脈沖電流對金屬凝固過程及組織的影響，揭示了脈沖電流細(xì)化金屬凝固組織的機(jī)理。 實(shí)驗(yàn)研究了中頻脈沖電流峰值、脈沖頻率及脈寬對純鋁、純銅凝固組織的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著電流峰值密度、脈沖頻率的增加及脈沖寬度的減小，純鋁的凝固組

2、織由未處理試樣的粗大柱狀穿晶組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸晶組織；但中頻脈沖電流對純銅凝固組織的細(xì)化作用不明顯，而高壓脈沖電流對純銅凝固組織有較明顯的細(xì)化作用。這說明脈沖電流對純銅凝固組織的細(xì)化需要更大的脈沖能量，反映了脈沖電流對金屬凝固組織的細(xì)化作用與金屬的性質(zhì)有密切關(guān)系。 研究了脈沖電流對鋁硅、鋁銅合金宏觀和微觀凝固組織的影響。發(fā)現(xiàn)隨著脈沖電流峰值密度和脈沖頻率的增加，亞共晶鋁硅、鋁銅合金宏觀凝固組織由未處理時(shí)的粗大等軸晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小等

3、軸晶組織，其微觀凝固組織中初生α-A1相由粗大的柱狀樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小等軸晶。鋁硅合金中初生α-A1相的量增加，其組織中的共晶硅相隨脈沖電流參數(shù)的增大由未處理時(shí)較大的長條狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的短條狀，且分布變得均勻；鋁銅合金微觀組織中二次枝晶變短且逐漸消失。研究還發(fā)現(xiàn)，隨著溶質(zhì)含量的增加，脈沖電流對鋁銅合金凝固組織的細(xì)化作用減弱。這也說明脈沖電流對金屬的細(xì)化作用與金屬的性質(zhì)有密切關(guān)系。 本文從研究脈沖電流對晶體形核和晶體長大的影響出發(fā)，探

4、討了脈沖電流對金屬凝固組織細(xì)化的機(jī)理。首先，根據(jù)純鋁的不同凝固階段設(shè)計(jì)了8種脈沖電流處理工藝，發(fā)現(xiàn)脈沖電流作用于形核之前的高溫液相階段對凝固組織沒有細(xì)化作用，作用于晶體生長階段對凝固組織的細(xì)化作用也不明顯，而作用于凝固的形核階段對純鋁凝固組織細(xì)化效果最佳。由此發(fā)現(xiàn)脈沖電流對金屬凝固組織的細(xì)化作用是極大地提高了金屬的形核率。為了進(jìn)一步探討其機(jī)理，本文又設(shè)計(jì)了在鑄型中放置金屬網(wǎng)和鑄型預(yù)熱實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：脈沖電流作用下鑄型型壁上晶核的不斷形成

5、和脫落是脈沖電流細(xì)化金屬凝固組織的直接原因，延遲型壁處形成凝固殼層的時(shí)間會極大地提高脈沖電流細(xì)化金屬凝固組織的效果。在上述發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，本文利用電動(dòng)力學(xué)和電磁學(xué)理論研究了脈沖電流對金屬熔體凝固形核過程的作用，建立了脈沖電流導(dǎo)致晶核增殖的數(shù)學(xué)模型。揭示了凝固組織的細(xì)化不僅與脈沖電流參數(shù)有關(guān)，而且還與金屬的物化性能及鑄型材料有關(guān)，從理論上解釋了相同脈沖電流參數(shù)下脈沖電流為何對不同金屬的凝固組織有不同的細(xì)化效果。通過對脈沖電流作用下晶核的運(yùn)動(dòng)

6、分析，解釋了試樣凝固組織的晶區(qū)形狀形成原因。 利用定向凝固技術(shù)研究了脈沖電流對晶體生長的影響。結(jié)果表明：脈沖電流使界面前沿液相中的溶質(zhì)濃度降低，溶質(zhì)擴(kuò)散層厚度減小，脈沖電流顯著增大固液界面前沿液相中的溫度梯度。當(dāng)下拉速度為3μm/s時(shí)，可使界面生長形態(tài)由未施加脈沖電流時(shí)的胞狀晶生長形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫婢L；當(dāng)下拉速度為14μm/s時(shí)，可使未施加脈沖電流時(shí)的胞狀枝晶生長形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪罹L形態(tài)；當(dāng)下拉速度為96μm/s時(shí)，脈沖電流能夠