大连理工《ACTA》：揭示脉冲磁场下凝固形成均匀等轴晶粒关键机制：大连理工《ACTA》：揭示脉冲

原标题：大连理工《ACTA》：揭示脉冲磁场下凝固形成均匀等轴晶粒关键机制
导读：本文研究了在凝固过程中施加脉冲磁场(PMF)时控制工业纯铝晶粒结构的因素。结果表明，纯金属的PMF根据不同的铸造条件，将通过不同的形核和生长机制形成等轴晶。第一种是当从熔点以上应用PMF时，凝固到熔点时在模具壁上发生大量成核，这些小颗粒被脉冲分离，在整个铸件中形成细化的等轴晶粒结构。另一种是柱状晶粒的成核，在施加PMF之前，柱状晶粒在模具壁上形成壳，一旦施加，由于洛伦兹力，形成流固耦合，这种流固耦合使柱状壳体分离。由于晶界上的低熔点富铁液相，分离的壳被破碎成大的块状颗粒，产生了双峰颗粒结构。因此，形成均匀细化晶粒的最佳条件是当从熔点以上施加PMF时，可确保在整个铸件中形成细化的等轴晶结构。
细晶粒尺寸提高了工程合金的机械性能，研究学者在理解和控制合金晶粒尺寸方面花费了很多努力。目前已经使用了许多策略来细化合金的晶粒尺寸，例如添加孕育剂，应用电磁场，包括旋转磁场(RMF)或移动磁场(TMF)、超声波场和其他方法。近年来，脉冲磁场(PMF)已被证明在合金凝固过程中产生显著的晶粒细化。由于增强的液体流动导致的晶粒细化已经被全面研究，并且普遍接受的理论包括枝晶破碎、晶粒迁移和在固态颗粒遗留。然而，在磁场下和其他超声波处理下的详细合金凝固机制仍然没有定论，特别是关于成核和晶粒形成的机制。
为了理解磁场细化晶粒的潜在机制，人们做了大量的工作。虽然人们一致认为纯金属需要均匀的低温梯度和足够强度的外力来产生对流，使新成核的晶粒在整个熔体中移动，以产生细小的等轴晶粒结构，但这种对晶粒成核和形成的流固耦合效应在实验和理论分析中很少考虑。
最近，大连理工大学李挺举团队选择在PMF下凝固的纯铝来研究等轴晶的形核和长大机理，发现形成均匀细化晶粒的最佳条件是当从熔点以上施加PMF时，确保在整个铸件中形成细化的等轴晶结构。加深了我们对流固耦合对磁场作用下合金晶粒细化影响的认识。相关研究成果以题“Revealingthemechanismsforthenucleationandformationofequiaxedgrainsincommercialpurityaluminumbyfluid-solidcouplinginducedbyapulsedmagneticfield”发表在金属顶刊ActaMaterailia上。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116747

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对流体流动和洛伦兹力的模拟表明，在液体中产生了四个独立的流体循环区域。最高速度在熔体顶部的中间。这种向上的流动导致熔体的顶面变得凸起。洛伦兹力对液相和固相的影响分析表明，该力对固体颗粒的作用更强，将它们快速推向铸件中心，一旦到达中心，洛伦兹力就会大大减小，这样颗粒就会留在大块熔体中。

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图1(a)工业中使用的中频/高频电流的电流频谱示意图， (b)从频谱中提取半周期(图(a)中的虚线框) ，并在凝固过程中施加到金属上，用示波器测量一个周期的脉冲电流为500A和10Hz ， (c)实验装置示意图。
将具有一定范围的电流和频率的PMF应用于预热模具中的熔体，直到凝固完成，意味着当成核开始时，这些小颗粒将受到大约每100ms重复一次的PMF脉冲。脉冲将许多颗粒从模具壁上分离，将它们推向熔体的中心，产生细颗粒尺寸。一些颗粒仍然附着在凝固壳的形成区域。壳的这些部分没有分离，因为在细化的等轴组织中只有少数块状晶粒，这表明有足够的暴露的模具壁来产生填充铸件的小的等轴晶粒。没有固化壳的最大区域位于模具壁的顶部，这表明PMF在该位置更有效。

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图2CP-Al在不同参数的PMF下凝固。

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图4PMF在不同温度和时间下的CP-Al凝固组织如图3a中字母a-f所示。

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图5在PMF施加500A和10Hz不同时间之前， CP-Al的宏观结构冷却到660℃并固化60s:(a)2s ， (b)5s ， (c)10s ， (d)15s 。
当模具预热温度降低时，增加初始热提取速率，柱状晶粒在较低的温度下形成和生长，在此温度下富铁液体凝固，将凝固的壳结合在一起。在这种情况下，外壳更厚、更坚固，除了在洛伦兹力更高的外壳顶部之外，很难分离。外壳弯曲成足够热的熔体，以熔化富铁相，使弯曲的外壳碎裂。暴露的模具壁然后通过图6(b)中描述的机制产生细化的晶粒。由此产生的宏观结构是沿模具壁的柱状晶粒壳，以及铸件其余部分的双峰晶粒结构。