磁场类型对金属凝固机理的影响研究综述.pdf

nAug.2023CHINASURFACEENGINEERING2023年8 月No.4Vol.36面国表中第36 卷第4期程doi:10.11933/j.issn.1007-9289.20220811002磁场类型对金属凝固机理的影响研究综述宋佳鑫1郭伟玲2邢志国李志雄1王海斗32张磊4黄艳斐（1.中国海洋大学工程学院青岛266100;2.陆军装甲兵学院装备再制造技术国防科技重点实验室北京100072;3.陆军装甲兵学院机械产品再制造国家工程研究中心北京100072;4.河北工业大学材料科学与工程学院天津300401)摘要：利用磁场辅助制备的合金综合性能优异，广泛应用在工业生产、交通运输、航空航天等领域。不同磁场参数环境下合金硬度、耐磨性等服役性能有所差异，作用机理复杂多变。对新工艺驱动下不同磁场对金属凝固过程的作用规律进行总结，弥补目前磁场辅助金属表面加工方法的研究短板，对金属表面工程发展有重大意义。归纳科研人员在不同磁场环境对金属表面加工的研究探索，分析对比金属材料在不同类型磁场环境下的晶核形核和生长过程差异，总结金属凝固过程在不同磁场下的变化规律，如晶界形貌改善、形核率提高、晶粒细化等。从晶粒微观形貌和合金宏观性能表现两方面出发，分析磁场作用下熔体内部传热传质变化，揭示稳恒磁场、脉冲磁场和交变磁场对金属凝固影响的作用机理，讨论不同参数的磁场对熔体作用效果差异，如磁场对熔池内部流动扰动、熔体内带电粒子受到的洛伦兹力等。综上，晶粒细化、合金性能提高是磁场作用下熔池传热传质变化和磁场作用力的综合体现。综合研究对比稳恒磁场、脉冲磁场和交变磁场对金属凝固的作用特点和作用机理，综述金属凝固领域当前热点问题，有助于统一磁场环境下金属凝固机理的争论，填补磁场环境下金属表面加工工艺的空白，对推进高性能金属表面制备研究有借鉴意义。关键词：金属工艺；表面工程；晶粒；微观形貌；宏观性能；磁场中图分类号：TG244Review of the Effect of Different Magnetic Field on Metal SolidificaticSONG JiaxinGUO WeilingXING Zhiguo?2LI ZhixiongWANG Haidou3ZHANG Lei 43HUANG Yanfei?(1.College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China;2.National Key Laboratory for Remanufacturing,Army Academy of Armored Forces,Beijing 100072,China;3.National Engineering Research Center for Remanufacturing,Army Academy of Armored Forces,Beijing 100072,China;4.School of Materials Science and Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)Abstract:Alloys prepared in a magnetic field environment have excellent comprehensive properties and are widely used in industrialproduction,transportation,aerospace,and other fields.The hardness,wear resistance,and other service properties of the alloy varywith the magnetic field parameters.Therefore,summarizing the mechanisms of different magnetic fields in the metal solidificationprocess is of great significance for developing auxiliary metal technology.This paper summarizes the studies and exploration of metalsurface processing by many researchers in different magnetic field environments.In addition,this study explores the rules ofnucleation and growth of metal materials under the assistance of magnetic fields.According to the aspects of the microscopicmorphology of the grains and the macroscopic properties of the alloy,the changes in heat and mass transmission,crystal boundaryshape variation,increase in nucleation rate,and grain size refinement are analyzed,and the effects of the steady,pulsed,and*国家自然科学基金（52 0 0 5511）和国家自然科学基金面上（52 2 7 52 2 7）资助项目。Fund:Supported by National Natural Science Foundation of China(52005511)and the General Program of National Natural Science Foundation of China(52275227).20220811收到初稿，2 0 2 30 313收到修改稿中面表国2023年程alternating magnetic fields on metal solidification are revealed.The various influences of different magnetic fields are discussed inthis paper,such as magnetic induction,intensity produced by the magnetic field,and charged particles within the melt by the Lorentzforce.In the process of metal solidification assisted by a steady magnetic field,both the thermoelectric force generated by thethermoelectric current and magnetic field and the electromagnetic brake force generated by the natural flow of the melt jointly affectsthe dendrite growth and internal flow of the melt,which is essentially the Lorentz force under the action of a magnetic field.Furthermore,the magnetic induction intensity is the most crucial factor affecting the electromagnetic brake and thermoelectric forces.The combined effect on the melt first increases and then decreases with increasing magnetic induction intensity.Pulsed magneticfields are essential in improving the magnetism,corrosion resistance,and electrochemical performance of molten metals through wallionization,electromagnetic oscillation,and the Joule thermal effect.The various effects of the magnetic field are concentrated in theinternal flow enhancement and temperature gradient reduction of the molten pool.Electromagnetic stirring and forced convectionpromote dendrite breaking and grain refinement under an alternating magnetic field.Furthermore,the phase distribution is moreuniform and inhibits compositional segregation.The application of metal solidification in a magnetic field environment focuses onemerging surface processing technologies such as deposition and cladding from traditional alloy manufacturing processes such ascasting and welding.The exploration of new processes in a magnetic field environment,such as magnetic-field-assisted coatingsolidification,is also the future development direction of this field.The research method has changed from a simple performanceenhancement effect test to a theoretical model calculation.In conclusion,grain refinement and alloy performance improvement arecomprehensive embodiments of heat and mass transmission and the magnetic force in the molten pool under the action of a magneticfield.The mechanism of action of the metal solidification process under different magnetic fields gradually tends to be consistent.Refining and quantifying the various effects of different magnetic fields on the alloy solidification structure,unifying grain changeprocesses and mechanisms,and other studies still require scholars unremiting efforts.A comprehensive study and comparison of thesteady,pulsed,and alternating magnetic fields on metal solidification characteristics and mechanisms are summarized,which helpsunify the debate on the metal solidification mechanism in a magnetic field environment,fills in the gaps in metal surface processingtechnology in a magnetic field environment,and has reference significance for promoting research on high-performance metal surfacepreparation.Keywords:metal craft;surface engineering;crystalline grain;microscopic morphology;macroscopic performance;magnetic field0前言合金材料制备的金属零件在交通运输、航空航天、化工机械等生产研究中广泛应用。金属凝固过程是合金材料制备的必由之路，因凝固过程中产生的晶粒形貌和晶粒数目不同，合金材料服役中的宏观性能表现会有所差异。其中，等轴晶因其各向同性在服役过程中展现出相较于柱状晶更加优异的性能而得到青-1。目前，科研人员利用添加晶粒细化剂，电场辅助等方式调控金属凝固过程，促进柱状晶向等轴晶转变，提升合金制备过程性能 4。晶粒细化剂的研究和探索在2 0 世纪30 年代逐渐开始开展 5。例如：在铝合金的晶粒生长中添加Ti元素，会抑制柱状晶生长，促进晶粒细化。目前晶粒细化剂主要有三大类：块体型钛剂、盐类细化剂和中间合金细化剂，但具有晶粒细化剂制备工艺复杂、作用效果不明确及工业化推广难度大等缺点 7。外加电场有助于改变晶粒形核生长过程，促进金属性能提高。熔融态纯铝 8 经外加直流电场处理后，由树枝状转变成为颗粒状，力学性能大幅提升。脉冲电流作用于纯铝凝固过程9，有助于降低熔融态金属过冷度，获得均匀细小的等轴晶组织。但电场辅助制备合金目前存在作用机制复杂多变，细化程度不一，规律不明和危险性高等问题待研究。利用磁场改善合金的凝固过程，具有非接触、无污染、成本低等优势，在工业生产与试验研究中利用磁场处理磁场凝固过程，磁场发生装置多使用线圈和强磁体装置，便于磁场的产生；同时，磁场作用期间，发生装置不与熔池发生接触，减少熔池高温对发生装置的影响。磁场辅助制备的合金综合性能优异，广泛应用在金属铸造、焊接、激光熔覆、表面沉积等工艺过程中，开展不同类型磁场下对金属凝固的作用机理研究有重大意义。从2 0 世纪初开始，科研人员利用磁场调控金属凝固过程，制备高性能合金10-12 ：随后进行了不同磁场对金属凝固过第4期宋佳鑫，等：磁场类型对金属凝固机理的影响研究综述程影响的研究探索 13-15；2 0 世纪末，利用磁场提升合金性能的研究成为研究热点，主要集中在揭示磁场对金属凝固过程中晶粒生长、传热、传质的作用机理 16-18 基于广大科研人员对磁场处理金属凝固过程的探索，本文综述稳恒磁场、脉冲磁场和交变磁场对金属凝固过程的影响机理，分析不同磁场下晶体形核生长过程和传热传质变化，总结不同磁场对金属凝固的作用规律，以期为今后磁场处理金属凝固过程提供借鉴。1经典金属凝固理论金属凝固过程是大量晶粒形成的过程。如图1所示，晶粒的形成需要依次经过晶核形核和晶核长大两个过程19。熔体内部会同时存在多个晶核形核长大过程，多个过程相互交错，最终完成金属的凝固过程。ZYX(a)(b)ZX(c)(d)图1晶粒枝晶生长示意图 19Fig.1Diagram of the growth of crystal19晶核形核是金属凝固的基础，目前，材料科学粗略地将晶核形核分为均质形核和异质形核两种。对于均质形核，晶胚达到临界半径r时可顺利形成晶核，其表达式为：20T.*mLmAT式中，Tm为晶体熔点，为比表面能，Lm为熔化热，T 为过冷度。且对应临界半径的形核功为：16元T4G*3(LmT)2对于均质形核过程中形核率的表达如下：AGNoexpexpkTkT式中，k为玻尔兹曼常数，为扩散激活能。在一定范围内，形核率随过冷度增大不断升高。由此，过冷度是影响晶核形核的重要因素，过冷度越大，临界半径越小，形核功在常规条件下，金属凝固形核的过冷度较难达到，均质形核极难发生，模具壁面和内部颗粒促进熔体的异质形核发生。对于金属凝固异质形核的临界半径为：20a*AGv式中，G为单位体积表面自由能，为界面比表面能。此时，对应异质形核的形核功为：AG=AGf(0)式中，为接触角，且f()1。异质形核的临界形核功小于均质形核临界形核功，所需过冷度相对较小，故异质形核容易发生。发生异质形核时，晶核形核往往依附于固体表面进行，界面能和临界形核功减少。增大熔体过冷度、晶粒细化剂和施加外部环境场促进振动是加速异质形核、改善晶粒生长过程的有效方式。过冷度增大与熔体纯度和冷却速度等参数密切相关 2 0 ，熔体纯度越高且冷却速度越快，熔体的过冷度越大。伴随过冷度增加，熔体凝固过程中晶粒更细小，溶质微观偏析程度增强，有利于金属性能提升 4.2 1-2 。形核剂多作用于晶核的形核阶段，推进异质形核进程。在进行铝合金晶粒细化研究过程中，硼元素 2 3作用于铝硅合金凝固过程，在铝层和二硼化铝层间形成六硼化硅添加层，减少晶体失配。也可在铝合金凝固过程中添加铝-钛-硼晶粒细化剂和锶改进剂 2 4，促使微观结构从较粗的柱状枝晶向细等轴枝晶和板状共晶硅细颗粒发生转变。钨和碳作为铬相异质形核细化剂 2 5 作用于铜铬合金的凝固过程，易与铬粉发生反应生成化合物，促进晶粒在形核生长过程中球化，抑制枝晶生长，减小晶粒尺寸。目前，工业材料凝固过程多添加电场或磁场作为外部辅助为熔池添加扰动，如图2 所示，影响异质形核进程。电场辅助可有效减少区域性偏析，引起内部元素迁移和再分布 2 6 ，促进涂层性能均匀分布。同时，电面中工表国程2023年场引起的振动引起形核速率提升，伴随焦耳热效应导致的过冷度降低，综合作用产生晶粒细化效果 2 7 PositiveelectrodeE/104V/mNegativeelectrode图2 添加电极后的熔炉装置图 2 7 Fig.2Principle of the mirror furnace with electrodes 27综上来看，增大熔体过冷度、晶粒细化剂与外部电场的添加在一定程度上优化晶粒的形核生长过程，改善熔体内部的晶粒形貌和晶粒分布，是提高制备合金强度与性能的有效途径，但利用磁场辅助金属制备仍是目前研究较多的热点问题，其处理金属具备有效性、安全性、全面性以及磁场在金属凝固过程中的作用机理得到广大科研人员的研究和关注。2稳恒磁场稳恒磁场对熔体凝固作用的机理有两大类，一类为热电电流和磁场共同作用产生的热电磁力，另一类为自然对流引起的电磁制动力。热电磁力和电磁制动力两者同时存在于金属凝固过程中，同时作用于熔体，磁感应强度大小是影响两者作用效果的重要因素。2.1热电磁流体效应金属合金在定向凝固过程中，熔体内非等温界面的存在引发热电效应，产生热电电流。同时，熔体外部施加稳恒磁场，在热电电流与外加磁场共同作用下，熔体内粒子会受到热电磁力。在稳恒磁场作用下，熔体受到的磁场作用力为：VB2F=JXB=-(B.V)B2式中，B为磁感应强度，为磁导率，为哈密顿算子。熔体固液相之间产生热电磁力与热电磁对流，热电磁力破坏胞晶枝晶的形成并驱动等轴晶旋转，促进熔体流动，细化晶粒，此为热电磁流体效应，图3展示了熔体中热电电流流动和热电磁对流效果 2 8 。熔体定向凝固过程中的温度梯度的增大和生长速率的减小，会增强稳恒磁场作用下的热电磁流体效应 2 9GIBIGrowthdirectionSecondaryconvectionTEMCMushyzone图3热电电流流动和热电磁对流效果图 2 8 Fig.3 Effect diagram of thermoelectric current flowand thermoelectric magnetic convection282.1.1轴向稳恒磁场不同强度轴向稳恒磁场对金属凝固过程作用效果存在差异，弱磁场的研究多集中在0 T0.6 T，强磁场研究多在2 T及以上。强稳恒磁场和因温度梯度引起的热电电流共同产生作用于轴晶尖端的热电磁力，表达式如下 30 F=(S,-S,)GB式中，为熔体电导率，f为固液相分数，S为电磁热功率。在高温镍基合金的定向凝固过程中 31，伴随强磁场出现的热电磁力作用于枝晶臂生长尖端产生电磁转矩，产生转矩，导致初生枝晶臂间距减小，枝晶生长空间受到压缩，枝晶形态从柱状晶向等轴晶转变 32 ,如图4所示。弱磁场添加后，熔体内部在热电电流和洛伦兹力的双重作用下会产生热电磁对流，凝固组织的改变是由热电磁效应驱动的热传递、溶质迁移和热电磁对流驱动的枝晶碎片运动引起的。锡铋合金 33 和铝硅合金 34 在弱稳恒磁场下凝固，伴随磁感应强度升高，得益于热电磁对流增强，熔池内部出现明显的定向流动效果，驱动熔体内胞状枝晶碎片移动，引起胞枝晶间距减小。DU等 35 通过观察锡铅共晶第4期宋佳鑫，等：磁场类型对金属凝固机理的影响研究综述合金定向凝固过程中锡晶相的宏观偏析和熔体中热电磁力的变化，证明凝固组织的改变源于枝晶间的热电对流和热传递，凝固过程中糊状区长度和初生枝晶间距随热电磁流体效应的增强而减小，导致熔体中倾斜界面形成和枝晶细化。AGABLiquidJreFFFFMushyzone500um(a)LiquidBBMushyzone500um(b)LiquidMushyzone500m(c)图4稳恒磁场作用下热电磁力示意图和柱状晶向等轴晶晶粒转化图 32 Fig.4Thermoelectric magnetic force and transformationof columnar crystal to equiaxed crystal grainunder the action of steady magnetic field322.1.2横向稳恒磁场横向稳恒磁场的添加增加熔体内部液滴受到的作用力，促进熔体内部有规律流动。F=FL+FM+Fs如图5所示，液滴受到热电磁力FL、热对流力FM（温度梯度力）和斯托克斯粘滞力Fs的共同作用，液滴之间发生相互碰撞，减弱了因重力引起的相沉积 36-37 在铝合金凝固过程中，铋相在合金凝固上部含量较未添加磁场时增加。液滴在横向稳恒磁场作用下的运动避免铋相因重力作用在熔体底部沉积，以此改变晶相分布。磁场改变熔体内部流动效果，同时也会引起凝固过程中固液界面形状变形和糊状区宏观偏析 31。ZHU等 38 在铝铜合金研究发现，因磁场添加引起的热电磁对流导致糊状区铜的富集，改变熔体内部的相分布。同时，磁场的添加导致凝固过程中液固界面发生倾斜，晶胞枝晶间距随着界面斜率变化逐渐减小。LI等 39 研究了6种不同合金在横向磁场下熔体定向凝固过程和凝固组织细化机理，证明热电磁流体效应驱动熔体内部传热传质变化，枝晶碎片和等轴晶粒大致沿垂直于磁场的方向移动，导致固液界面形貌变形和糊状区的宏观偏析。BTFLIFMFsMFL1图5水平稳恒磁场作用下液滴受力图 36-37 Fig.5 Force diagram of droplets under horizontaland steady magnetic field36-37综上，在轴向稳恒磁场和温度梯度引起的热电流共同作用下形成的热电磁流体效应在枝晶上产生磁转矩，促进枝晶破碎和转动，引起熔体内部的晶粒细化和对流增强，改善合金性能。目前横向稳恒磁场的研究多集中于磁场添加后熔体内部成分分布和固液界面的变化，横向稳恒磁场改善熔体内部的流动，引起固液界面形状的变形和糊状区宏观偏析。2.2电磁制动效应电磁制动效应是指金属粒子在磁场中运动受到洛伦兹力，抑制熔体内对流，减少凝固带来的温度和溶质扰动的影响。洛伦兹力作用公式为：J=BXV式中，表示单电荷下粒子受到的洛伦兹力，为运动于磁场的带电粒子所受的力，B为磁场方向，V表示颗粒运动方向。电磁制动效应调控金属凝固过程，一定范围内有助于改变晶粒的生长速度与方向，影响晶界形状和形貌。磁场对熔体对流的抑制作用有助于凝固组织出现6面中表2023年程国定向排列现象。施加外部磁场，熔体在磁场下凝固产生的电磁制动效应减弱液相中粒子迁移速率 40 ，增加晶粒由液相向固相转变时需要克服的势垒，在垂直于磁场方向的对流被抑制，水平方向不发生变化，晶核依次形核、长大，最终出现定向排列现象 41。外部稳恒磁场抑制铅锡合金层状共晶35.42 在重力场中垂直L方向运动，促进晶体的水平长大，层状共晶组织方向性明显，层片在X-Y方向生长，沿乙轴的分布的差距减小，晶界明显减薄，片状组织细化。电磁制动效应调控金属凝固过程，会改善合金的宏观性能。ZHENG等 43 在研究铋锌合金在稳恒磁场作用后的磁化性能时发现，因电磁制动效应抑制熔体内部常规的流动，流体内部发生磁化，OT和6T下熔体表现出磁各向同性行为，2 T和4T熔体出现磁各向同性行为。在进行稳恒磁场环境下制备铝铜合金过冷度的研究发现 44，铝液凝固的过冷度在一定范围内随磁感应强度增强而升高，磁感应强度提升至12 T时，过冷度提升效果在116%左右。选取不同组分铝合金进行测试时发现，磁感应强度与金属合金组成成分两种因素均可引起过冷度的改变，如表1所示。因此，稳恒磁场作用下的电磁制动效应对金属凝固过程过冷度有明显调控作用。电磁制动效应的存在增加液固界面的自由能和晶体成核势垒，限制金属粒子凝固过程中的移动，影响熔体的晶粒生长过程和宏观性能表现。因此，磁感应强度和合金内部原子种类和分布都是影响磁场制备合金宏观性能的重要因素。表1稳恒磁场下不同合金过冷度统计表文献 4Table1Change in undercooling of various metalsand alloys in steady magnetic field/4SteadymagneticfieldIncreaseinMaterialintensity/Tundercooling/K12.021.6A16.0010.06.009.60Al-25at.%Cu12.02.70Al-38wt.%Cu12.010.0Al-4.5wt.%Cu6.003.90Al-26wt.%Cu6.007.30Al-45wt.%Cu6.006.70稳恒磁场通过热电磁流体效应和电磁制动效应作用于熔体，其本质是磁场作用下的洛伦兹力。目前稳恒磁场的研究有横向磁场和轴向磁场之分，横向磁场作用减小枝晶间距，促进柱状晶向等轴晶转变；轴向磁场作用于枝晶产生晶矩，导致枝晶破碎，促进晶粒细化。同时，熔体的变化受磁场磁感应强度影响，熔体内晶粒细化效果随磁场的增大先增大后减小。稳恒磁场作用下电磁制动效应与热电磁流体效应同时存在，两者作用效果由促进熔体流动逐渐向抑制熔体流动转变。当磁感应强度小于临界磁感应强度时，热电磁流体效应起主要作用，磁场促进熔体流动；当磁感应强度逐渐增强，电磁制动效应增强抑制熔体流动。3脉冲磁场利用脉冲磁场辅助制备合金是目前金属凝固加工常用手段之一。2 0 世纪90 年代已经出现利用脉冲磁场处理铁合金凝固过程的研究，结果表明，铁合金强度提高，熔体内部出现无定向结构偏序 45-46 。脉冲磁场作用于合金凝固的成核时期，或在熔体内部产生周期的脉冲力作用，与电磁力结合形成电磁振荡，加速初生晶相碎裂并与模具分离；或促使熔体内部感应电流产生焦耳热，由固液相电阻率和导热率的差异引起枝晶重熔和晶粒细化。基于此，如图6 所示，脉冲磁场通过型壁游离，电磁振荡，焦耳热效应等多种效果影响金属凝固过程，改善金属的凝固组织，提高金属的综合性能 47-51.3.1型壁游离常规熔融态金属凝固，靠近模具壁面的液态金属率先形核生长，在脉冲磁场环境下，由于脉冲磁场本身的时频性，熔体核心受到周期脉冲力作用，如图7 和图8 所示，靠近壁面的晶粒受脉冲力后从壁面脱落，后随熔体流动进入熔体中心，形成多个形核核心，多个晶核紧密排列生长形成等轴晶 52-3。熔体表面振荡产生的冲击力是影响型壁游离效果的重要因素。在纯铝组织凝固过程中添加脉冲磁场 54，由于趋肤效应的存在，电磁力驱动晶核从模具壁面脱落进入熔体内部，在重力作用下晶核向底部运动，熔体内晶核增多，多个晶核密集排列生长，晶粒间相互挤压，减小单个晶核体积。合理利用脉冲磁场和颗粒在熔体中运动的相互作用可调控熔体凝固过程 52 ，其中，脉冲磁感应强度是影响型壁游离强度的重要因素。铝液 5 凝固过程中的型壁游离效果在0 0.2 T范围内逐渐增强，脱离壁面的晶粒数量逐渐上涨，进入熔池内部，晶粒的细化效果愈加显著；磁感应强度超过0.2 5T时，熔体振动过强，液滴与壁面分离，易飞溅出模具，影响熔体成型质量。同时，脉冲磁场在低碳钢凝固过程 56 中产生脉冲动压力，导致液态金属剧烈运动，枝晶形状随磁感应强度发生改变，出现柱状晶到等轴晶再到柱状晶的转变。第4期宋佳鑫，等：磁场类型对金属凝固机理的影响研究综述(a)Magneticfieldprofile(a)Lorentzforcedistribution2.Electromagnetic oElecrtomagneticMagneticforce/Nfluxdensity/Noscillation10.00799800.0159960.0018860.0239940.0037730.0319920.0056590.0399900.0075450.0479880.009.4320.0559860.0113180.0639840.0132050.0719820.0150910.016977(b)Velocityvibration(b)Increasementofgrain number20.5斤20.019.519.018.518.0WC-12Coball17.554.054.254.454.654.8CoilsTime/s(a)Magneticfielddevice(a)Pulsedmagneticfield intensity(c)Dendritegrowthrestricted1.51.00.5000.050.11010.0510.1cmTime/sCoarse equiaxed grains Columnar grains Fine equiaxed grains3.Jouleheateffect图6 脉冲磁场对熔池综合作用效果图 47-1Fig.6 Comprehensive effect of pulsed magnetic field on molten poo14-51651.44366.5420.7880.112223302.901908.62103.4100.411165954.373450.70186.0330.710108605.844.992.78268.6561.0090511257.806.534.87之351.2791.307 9913908.808076.95433.9021.6069316560.209619.03516.5251.9058819211.7011.161.10599.1482.2048221863.2012.703.20681.7712.503.7624514.6014245.30764.3942.802.71(a)Mid during upward period(b)Peak(c)Mid of downward period(d)Midofoff period图7 月脉冲磁场作用下熔体内受到的电磁力周期变化图 52 Fig.7Periodic change diagram ofelectromagnetic force in the melt under the action of pulsed magnetic field528面表中程国20233年WithoutWith PMFCoilMeltMoldIngotSeparated crystalCrystalMeltCoilO回B6Craphite mold图：脉冲磁场作用下合金凝固型壁游离机理示意图 53Fig.8 Schematic sketch illustration of refinementmechanism under pulsed magnetic fields33.2电磁振荡在熔体凝固过程中，磁场驱动熔体内自由电子定向运动产生电流，感应电流和脉冲磁场作用产生周期反复的电磁振荡效果，生长过程中枝晶在电磁振荡作用下受到非稳定流动的剪切应力：1Tx=2uXdivvx31Tu=22udivvoy3式中，为熔体动力黏度系数，为某时刻枝晶周围熔体的流动速度。枝晶受到此剪切力作用，断裂破碎，进入熔体内部，增加熔体的形质核心。同时，反复振荡加快液态熔质流动，熔体在靠近壁面处不断震荡，产生涡流，提高熔体冷却速率，有利于熔体形核，细化晶粒。电磁振荡效果改变熔体内部温度梯度分布（图9)，影响熔体过冷度和冷却时间 57 ，改善晶粒尺寸和晶粒形貌（图10）58 。ZHANG等 59 在研究镁锌钇合金时，发现熔体内部在脉冲磁场作用下强制对流显著，熔体磁过冷和温度梯度降低限制初生枝晶生长，初生晶相由不均匀的粗大连续形态转化为细小均匀形态。但通过比对添加磁场前后一定熔池内的晶粒数目可发现，电磁振荡引起的剪切力是提升合金凝固质量的重要因素，进行铝锰铁合金 6 0 和熔融态镁合金 6 1 研究发现脉冲磁场的添加使枝晶破碎进入熔体内部，促进晶核增殖，提高组织的形核率。磁场强度足够强时，电磁振荡效果增强，增加受剪切力影响枝晶碎片的数量，同时促进熔体流动，提升碎片重新形核的概率 6 2 。InductionHeatingzone区T3PMFT3图9施加脉冲磁场前后熔体流动对温度梯度影响示意图 57 Fig.9 Schematic diagram of the influence of melt flow ontemperature gradient before and afer pulsed magnetic field5710090807060504030201000.51.01.52.02.53.0 3.5Magnetic intensity/T(a)Averagegrainsize1500OT14801.10T1.35T1.80T14603.24T1440142014004080120160200Time/s(b)Cooling temperature图10脉冲磁场作用效果曲线图 58 Fig.10Influence curve of pulsed magnetic field 8脉冲磁场作用下引起的电磁振荡效果促进熔体内部的强制流动，改变温度梯度的分布，推动晶粒向均匀细小等轴晶转变，因此，充分利用脉冲磁场电磁振荡效果辅助金属凝固过程是强化合金服役性能的常用手段之一。谢东原等 6 3 测试脉冲磁场对于合金基础性能提升效果，在对比常规合金的基础上，增设多组不同周期不同脉冲能量的试验组，有效说明了磁场添加对合金抗拉和屈服性能的提升。因磁场对熔池流动速度提升改善熔融态金属凝固时间，9第4期宋佳鑫，等：磁场类型对金属凝固机理的影响研究综述可减少工业