脈沖磁致振蕩波形對純鋁凝固組織的影響

鐘玉義 白亞鳴 李 剛 龔永勇 翟啟杰

(1.上海大學理學院，上海 200444; 2.上海大學先進凝固技術中心，上海 200444)

脈沖電磁場具有高效節能、單次能量大和對熔體非接觸式處理等優點，在金屬凝固組織細化技術領域得到了廣泛應用[1- 3]。龔永勇等[4]研究了脈沖磁致振蕩(PMO, pulsed magnetic oscillation)對純鋁凝固組織的影響，發現在形核階段和晶核長大的前半段進行PMO處理，可以細化純鋁凝固組織；通過隔離網試驗發現晶核來源于型壁,且在電磁力作用下漂移進熔體。Yin等[5]采用PMO液面線圈裝置處理純鋁凝固組織，研究發現液面處理產生的電磁力和強制對流使晶核大量漂移至熔體內部，導致晶粒增殖、凝固組織細化。Cheng等[6- 7]研究了等功率條件下電磁參數對純鋁凝固組織的影響，通過分析結晶器壁面上的電磁力和阻力，建立了結晶器壁面上晶核脫落的判據，并提出晶核的脫落主要是由電磁阿基米德力和熔體強制對流造成的，且在相同功率下，峰值電流和頻率的改變不影響晶粒跨越邊界層的時間。

以往對脈沖電磁場凝固細晶及均質化技術的研究主要集中于電流峰值[8- 9]、脈沖頻率[10]和作用時間[11- 12]等參數，很少涉及可影響頻譜分布的參數，如脈沖波形對凝固組織的影響。不同波形的振動干擾會影響枝晶的生長[13]。方波脈沖磁場的諧波較為豐富，在熔體中的傳播衰減較慢，對晶核有較好的孕育和變質作用[14- 15]。三角脈沖磁場所感應出的電磁力的磁壓力大于電磁拉力[16- 18]，且隨著頻率的增大或占空比的減小，磁壓力的增幅大于磁拉力。本文采用數值模擬和試驗相結合的方法，研究了不同波形的脈沖磁致振蕩對純鋁凝固組織的影響。

1 試驗設備與過程

試驗材料為工業純鋁(純度為99.7%,質量分數)，分別使用A、B、C 3組波形的脈沖電流對純鋁熔體進行PMO處理。3組波形的周期相同但脈寬不同，具體參數如表1所示。在單個周期內3組波形均有10個相同的脈沖，但不同波形脈沖之間的時間間隔不同，如圖1所示。

表1 波形A、B和C的參數

圖1 試驗采用的波形示意圖

主要試驗設備有PMO充電裝置、放電裝置、示波器、雙層線圈和馬弗爐等，試驗裝置示意圖如圖2所示。將工業純鋁放入石墨坩堝中，用馬弗爐加熱到800 ℃保溫30 min至全部熔化；同時，打開PMO電源，調整至預定參數，將鋁液澆注于石墨坩堝中，用PMO處理10 min。待試樣自然冷卻后，沿軸線切開，打磨至600目(23 μm)。采用成分配比為HCl∶HNO3∶HF∶H2O =12∶6∶1∶1的腐蝕液對試樣進行腐蝕，然后觀察其宏觀組織。由于熔體液面的固有頻率與熔體尺寸相關，為了更好地驗證次諧波共振對純鋁凝固組織的影響，進行了2組不同鑄型尺寸的試驗，試驗參數如表2所示。

圖2 試驗裝置示意圖

表2 試驗參數

2 試驗結果

圖3和圖4分別為試驗1和2試樣的縱截面宏觀組織，其中a為對比樣(未經PMO處理)，b、c和d分別為經A、B、C 3組波形PMO處理的試樣。可見經PMO處理的試樣，等軸晶主要集中在試樣的中下部，這與結晶雨機制[10]相符，即對熔體進行PMO處理能促使熔體在液面和型壁形核，晶核在電磁力、重力和流動的多重作用下脫落和漂移至熔體中心和底部，最終形成結晶雨現象。

圖3 試驗1試樣的縱截面宏觀組織

圖4 試驗2試樣的縱截面宏觀組織

圖3和圖4表明經PMO處理后，純鋁凝固組織明顯細化。試樣縱截面的等軸晶比例如圖5所示。在試驗1條件下，B波形PMO處理的細化效果最好，等軸晶比例為34.34%；在試驗2條件下，A波形PMO處理的細化效果最好，等軸晶比例為28.21%。可見不同尺寸純鋁凝固組織的最佳細化效果所對應的PMO波形不一致。

圖5 試樣縱截面的等軸晶比例

3 熔體內流場數值模擬

采用COMSOL有限元軟件中的二維軸對稱模型，對不同波形脈沖電流下PMO處理純鋁熔體的流場分布進行數值模擬。模型以熔體中心為原點，徑向為x軸，熔體中心軸線為y軸，建立坐標系，其中L為距型壁5 mm處軸線，如圖6所示。

圖6 數值模擬示意圖

熔體流場的模擬結果如圖7所示，其中a、b和c為試驗1熔體的流場分布，d、e和f為試驗2熔體的流場分布，流速的正值表示熔體沿y軸正向流動，負值表示熔體沿y軸負向流動。當脈沖電流流過線圈時，熔體中感應電流和外加磁場相互作用產生的電磁力會影響熔體的流場分布。圖7表明，在3組波形的PMO作用下，熔體中形成了上下兩組環流的流場分布。圖8為距型壁5 mm處軸線L上的流速分布。可見，C波形PMO作用下的熔體流速比其他兩組波形PMO作用下的熔體流速較大，B波形PMO作用下的熔體流速最小。結合圖3和圖4可以發現，當熔體流速大時，并未達到最佳的凝固組織細化效果，因此從熔體液面共振的角度對不同波形PMO作用下的凝固組織細化機制進行了討論和分析。

圖7 熔體內流場分布

圖8 距型壁5 mm軸線上的流速分布

4 討論與分析

圓柱形容器中液體的固有頻率[19]為：

(1)

式中：βlm為第一類l階貝塞爾函數微分的第m個根(dJl(x)/d(x)=0)，klm等于βlm與熔體半徑R的比值， 下角l和m分別表示方位角和徑向的模數。貝塞爾函數的表達式為：

(2)

任何一個信號波都可以通過傅里葉變換，將其展開為各種信號的疊加，即將其展開為一個基頻和各諧波頻率的疊加。其表達式為：

(3)

式中：ω1為基波角頻率，a0/2為周期函數的直流分量，an和bn為各諧波分量的系數。分別對波形A、B和C進行離散傅里葉變換，得到各波形的幅頻圖，如圖9所示。

圖9 不同脈沖波形的幅頻

從圖9可以看出，PMO脈沖波形包含豐富的諧波頻率。有研究表明，當振動信號的諧波頻率與液面的固有頻率相匹配且能量達到閾值時，會引起液面共振；當諧波頻率是固有頻率的整數倍時，會引起液面的次諧波共振[20- 22]。當熔體液面發生主共振或次諧波共振時，會增強液面結晶雨效應，使晶粒數量增加，從而凝固組織更細小。

由試驗結果可知，鑄型尺寸的變化使凝固組織的最佳細化效果所對應的波形發生變化。根據圓柱體液面固有頻率計算公式(1)，得出試驗1的熔體液面的固有頻率f1為6.896 Hz。如圖9(b)所示，波形B諧波分布的包絡線第2個峰點的頻率為69.2 Hz，此諧波頻率與液面的固有頻率f1的10倍頻非常接近。而波形A和C沒有較大振幅的諧波與固有頻率的倍頻相對應，因此在波形B的脈沖磁場作用下，試驗1的熔體液面發生次諧波共振，使液面振蕩加強，結晶雨效應增強。試驗2的熔體液面的固有頻率f2為5.881 Hz，波形A脈沖磁場的諧波頻率分布的第2個峰點和第3個峰點的頻率分別為29.8和59.8 Hz，這兩個峰點對應的頻率與液面固有頻率f2的5倍和10倍頻非常接近，因此在波形A的脈沖磁場作用下，試驗2的熔體液面發生次諧波共振，結晶雨效應增強。綜合試驗和模擬結果發現，使熔體液面發生共振或次諧波共振的波形均能增強凝固組織的細化效果。

5 結論

(1)PMO處理使純鋁凝固組織細化，其細化效果與PMO的電流波形有關；對熔體施加能產生液面共振或次諧波共振的PMO波形，能顯著增強凝固組織的細化效果。

(2)鑄型尺寸的變化使熔體液面的固有頻率改變，進而使細化效果最佳的脈沖電流波形也發生變化，不同尺寸熔體液面的共振或次諧波共振可通過施加不同的PMO波形來產生，從而增強細化效果。