梯度強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)鋁硅過共晶合金凝固的影響.pdf

1、梯度強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)合金產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，在這一驅(qū)動(dòng)力作用下合金凝固組織發(fā)生很大變化，如初生相晶粒遷移等，對(duì)此研究可為制各自生復(fù)合材料和功能梯度材料開辟新的途徑，也為金屬熔煉中去除夾雜物提供新的思路和方法。因此，深入研究磁場(chǎng)影響析出相粒子的遷移、細(xì)化和分布的規(guī)律具有重要意義。本文以工業(yè)常用的過共晶Al-Si合金為對(duì)象，開展了梯度強(qiáng)磁場(chǎng)下合金凝固規(guī)律的研究。 本文第一部分實(shí)驗(yàn)研究了過共晶鋁硅合金的初晶硅顆粒在梯度強(qiáng)磁場(chǎng)下的遷移行為，特別注意了分

2、別考察磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度的各自影響，在此基礎(chǔ)上建立了相應(yīng)的理論模型。研究結(jié)果表明，磁場(chǎng)梯度一定，磁場(chǎng)強(qiáng)度只有達(dá)到某一特定值時(shí)，初晶硅的遷移才會(huì)發(fā)生。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，初晶硅發(fā)生遷移并形成偏聚層。但當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度超過某一值后，磁場(chǎng)強(qiáng)度的進(jìn)一步增大對(duì)初晶硅遷移的影響變小，表明磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響趨于飽和。保持磁化力基本相同，磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，遷移程度減小，表明靜磁場(chǎng)對(duì)初生相的遷移有阻礙作用。磁場(chǎng)強(qiáng)度不變，隨著磁場(chǎng)梯度的增大，初晶硅的偏聚量增加，晶粒尺寸

3、變小。理論分析得到熔體的有效粘度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系：η'=η+kB<,z><'2>，理論分析較好地解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 論文第二部分對(duì)強(qiáng)梯度磁場(chǎng)下金屬熔體中析出相晶粒遷移的動(dòng)力學(xué)規(guī)律進(jìn)行了理論研究。求解了上述模型的動(dòng)力學(xué)方程，得到遷移速度的解析解和遷移距離的分析解，分別為： 遷移率，并導(dǎo)出其表達(dá)式，即：遷移距離和遷移率與磁場(chǎng)分布密切相關(guān)。凝固過程中淬火實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：晶粒半徑大于等于40μm的初晶硅在120s內(nèi)大部分完成遷移，

4、與理論計(jì)算吻合。本文第三部分實(shí)驗(yàn)研究了磁場(chǎng)強(qiáng)度和恒溫時(shí)間對(duì)半熔態(tài)Al-18％Si合金中偏聚初晶硅晶粒尺寸的影響。結(jié)果表明：無磁場(chǎng)時(shí)初晶硅為粗大的板條狀或五星狀，施加梯度磁場(chǎng)時(shí)偏聚初晶硅呈彌散分布的等軸多邊形，初晶硅顯著細(xì)化。當(dāng)磁化力維持不變時(shí)，偏聚初晶硅晶粒尺寸隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而減小，晶粒數(shù)量密度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明強(qiáng)磁場(chǎng)影響Si原子擴(kuò)散。對(duì)磁場(chǎng)抑制擴(kuò)散及初晶硅的受力進(jìn)行了理論分析，分別導(dǎo)出了擴(kuò)散系數(shù)以及晶粒受到的排斥力

5、與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系為： 較好地解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，偏聚層中硅顆粒分布均勻，其間距相近。建立了硅顆粒的分布的模型，得到了偏聚初晶硅晶粒間距與磁場(chǎng)的關(guān)系，即：結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合。表明偏聚初晶硅晶粒間的磁排斥力與晶粒的磁化力具有相同的數(shù)量級(jí)，二者的相互作用導(dǎo)致了初晶硅的均勻分布。 論文第四部分研究了強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)全熔態(tài)過共晶Al-Si合金中初晶硅及共晶組織的影響。結(jié)果表明，施加梯度磁場(chǎng)時(shí)，全熔態(tài)凝固的初晶硅發(fā)生不同程度的遷移，但沒有

6、形成偏聚層，原因是合金處于半固態(tài)的時(shí)間較短，初晶硅沒有足夠的時(shí)問進(jìn)行遷移，和理論計(jì)算結(jié)果一致。無磁場(chǎng)時(shí)初晶硅沿試樣周邊析出，施加恒定磁場(chǎng)時(shí)，初晶硅基本上分布于整個(gè)試樣截面，磁場(chǎng)強(qiáng)度為7 T時(shí)，析出的初晶硅尺寸較小。對(duì)磁場(chǎng)影響初晶硅形核率進(jìn)行理論分析表明，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，初晶硅形核率有極值存在，可定性地解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。金相分析表明共晶組織層片間距隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而減小，原因是磁場(chǎng)抑制對(duì)流和擴(kuò)散。用掃描電鏡對(duì)共晶硅進(jìn)行形貌觀察，結(jié)果表明

7、，無磁場(chǎng)時(shí)為粗短棒狀，分布稀疏；施加5～12T恒定磁場(chǎng)時(shí)，共晶硅為細(xì)而長的棒狀、分布密集，預(yù)示強(qiáng)磁場(chǎng)細(xì)化了共晶硅。測(cè)定鋁硅合金在不同磁場(chǎng)條件下的凝固曲線，結(jié)果表明磁場(chǎng)對(duì)合金降溫速度沒有影響，表示實(shí)驗(yàn)中磁場(chǎng)對(duì)傳熱影響很小，可忽略。因此，初晶硅和共晶硅的細(xì)化不是降溫速度方面的原因所產(chǎn)生的，進(jìn)一步表明磁場(chǎng)導(dǎo)致擴(kuò)散降低，從而使組織細(xì)化。凝固曲線的測(cè)定還表明，施加恒定強(qiáng)磁場(chǎng)和梯度強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，共晶凝固點(diǎn)的溫度均有不同程度的升高。原因是磁場(chǎng)影響形核率，