脉冲磁致振荡波形对纯铝凝固组织的影响

钟玉义 白亚鸣 李 刚 龚永勇 翟启杰

(1.上海大学理学院，上海 200444; 2.上海大学先进凝固技术中心，上海 200444)

脉冲电磁场具有高效节能、单次能量大和对熔体非接触式处理等优点，在金属凝固组织细化技术领域得到了广泛应用[1- 3]。龚永勇等[4]研究了脉冲磁致振荡(PMO, pulsed magnetic oscillation)对纯铝凝固组织的影响，发现在形核阶段和晶核长大的前半段进行PMO处理，可以细化纯铝凝固组织；通过隔离网试验发现晶核来源于型壁,且在电磁力作用下漂移进熔体。Yin等[5]采用PMO液面线圈装置处理纯铝凝固组织，研究发现液面处理产生的电磁力和强制对流使晶核大量漂移至熔体内部，导致晶粒增殖、凝固组织细化。Cheng等[6- 7]研究了等功率条件下电磁参数对纯铝凝固组织的影响，通过分析结晶器壁面上的电磁力和阻力，建立了结晶器壁面上晶核脱落的判据，并提出晶核的脱落主要是由电磁阿基米德力和熔体强制对流造成的，且在相同功率下，峰值电流和频率的改变不影响晶粒跨越边界层的时间。

以往对脉冲电磁场凝固细晶及均质化技术的研究主要集中于电流峰值[8- 9]、脉冲频率[10]和作用时间[11- 12]等参数，很少涉及可影响频谱分布的参数，如脉冲波形对凝固组织的影响。不同波形的振动干扰会影响枝晶的生长[13]。方波脉冲磁场的谐波较为丰富，在熔体中的传播衰减较慢，对晶核有较好的孕育和变质作用[14- 15]。三角脉冲磁场所感应出的电磁力的磁压力大于电磁拉力[16- 18]，且随着频率的增大或占空比的减小，磁压力的增幅大于磁拉力。本文采用数值模拟和试验相结合的方法，研究了不同波形的脉冲磁致振荡对纯铝凝固组织的影响。

1 试验设备与过程

试验材料为工业纯铝(纯度为99.7%,质量分数)，分别使用A、B、C 3组波形的脉冲电流对纯铝熔体进行PMO处理。3组波形的周期相同但脉宽不同，具体参数如表1所示。在单个周期内3组波形均有10个相同的脉冲，但不同波形脉冲之间的时间间隔不同，如图1所示。

表1 波形A、B和C的参数

图1 试验采用的波形示意图

主要试验设备有PMO充电装置、放电装置、示波器、双层线圈和马弗炉等，试验装置示意图如图2所示。将工业纯铝放入石墨坩埚中，用马弗炉加热到800 ℃保温30 min至全部熔化；同时，打开PMO电源，调整至预定参数，将铝液浇注于石墨坩埚中，用PMO处理10 min。待试样自然冷却后，沿轴线切开，打磨至600目(23 μm)。采用成分配比为HCl∶HNO3∶HF∶H2O =12∶6∶1∶1的腐蚀液对试样进行腐蚀，然后观察其宏观组织。由于熔体液面的固有频率与熔体尺寸相关，为了更好地验证次谐波共振对纯铝凝固组织的影响，进行了2组不同铸型尺寸的试验，试验参数如表2所示。

图2 试验装置示意图

表2 试验参数

2 试验结果

图3和图4分别为试验1和2试样的纵截面宏观组织，其中a为对比样(未经PMO处理)，b、c和d分别为经A、B、C 3组波形PMO处理的试样。可见经PMO处理的试样，等轴晶主要集中在试样的中下部，这与结晶雨机制[10]相符，即对熔体进行PMO处理能促使熔体在液面和型壁形核，晶核在电磁力、重力和流动的多重作用下脱落和漂移至熔体中心和底部，最终形成结晶雨现象。

图3 试验1试样的纵截面宏观组织

图4 试验2试样的纵截面宏观组织

图3和图4表明经PMO处理后，纯铝凝固组织明显细化。试样纵截面的等轴晶比例如图5所示。在试验1条件下，B波形PMO处理的细化效果最好，等轴晶比例为34.34%；在试验2条件下，A波形PMO处理的细化效果最好，等轴晶比例为28.21%。可见不同尺寸纯铝凝固组织的最佳细化效果所对应的PMO波形不一致。

图5 试样纵截面的等轴晶比例

3 熔体内流场数值模拟

采用COMSOL有限元软件中的二维轴对称模型，对不同波形脉冲电流下PMO处理纯铝熔体的流场分布进行数值模拟。模型以熔体中心为原点，径向为x轴，熔体中心轴线为y轴，建立坐标系，其中L为距型壁5 mm处轴线，如图6所示。

图6 数值模拟示意图

熔体流场的模拟结果如图7所示，其中a、b和c为试验1熔体的流场分布，d、e和f为试验2熔体的流场分布，流速的正值表示熔体沿y轴正向流动，负值表示熔体沿y轴负向流动。当脉冲电流流过线圈时，熔体中感应电流和外加磁场相互作用产生的电磁力会影响熔体的流场分布。图7表明，在3组波形的PMO作用下，熔体中形成了上下两组环流的流场分布。图8为距型壁5 mm处轴线L上的流速分布。可见，C波形PMO作用下的熔体流速比其他两组波形PMO作用下的熔体流速较大，B波形PMO作用下的熔体流速最小。结合图3和图4可以发现，当熔体流速大时，并未达到最佳的凝固组织细化效果，因此从熔体液面共振的角度对不同波形PMO作用下的凝固组织细化机制进行了讨论和分析。

图7 熔体内流场分布

图8 距型壁5 mm轴线上的流速分布

4 讨论与分析

圆柱形容器中液体的固有频率[19]为：

(1)

式中：βlm为第一类l阶贝塞尔函数微分的第m个根(dJl(x)/d(x)=0)，klm等于βlm与熔体半径R的比值， 下角l和m分别表示方位角和径向的模数。贝塞尔函数的表达式为：

(2)

任何一个信号波都可以通过傅里叶变换，将其展开为各种信号的叠加，即将其展开为一个基频和各谐波频率的叠加。其表达式为：

(3)

式中：ω1为基波角频率，a0/2为周期函数的直流分量，an和bn为各谐波分量的系数。分别对波形A、B和C进行离散傅里叶变换，得到各波形的幅频图，如图9所示。

图9 不同脉冲波形的幅频

从图9可以看出，PMO脉冲波形包含丰富的谐波频率。有研究表明，当振动信号的谐波频率与液面的固有频率相匹配且能量达到阈值时，会引起液面共振；当谐波频率是固有频率的整数倍时，会引起液面的次谐波共振[20- 22]。当熔体液面发生主共振或次谐波共振时，会增强液面结晶雨效应，使晶粒数量增加，从而凝固组织更细小。

由试验结果可知，铸型尺寸的变化使凝固组织的最佳细化效果所对应的波形发生变化。根据圆柱体液面固有频率计算公式(1)，得出试验1的熔体液面的固有频率f1为6.896 Hz。如图9(b)所示，波形B谐波分布的包络线第2个峰点的频率为69.2 Hz，此谐波频率与液面的固有频率f1的10倍频非常接近。而波形A和C没有较大振幅的谐波与固有频率的倍频相对应，因此在波形B的脉冲磁场作用下，试验1的熔体液面发生次谐波共振，使液面振荡加强，结晶雨效应增强。试验2的熔体液面的固有频率f2为5.881 Hz，波形A脉冲磁场的谐波频率分布的第2个峰点和第3个峰点的频率分别为29.8和59.8 Hz，这两个峰点对应的频率与液面固有频率f2的5倍和10倍频非常接近，因此在波形A的脉冲磁场作用下，试验2的熔体液面发生次谐波共振，结晶雨效应增强。综合试验和模拟结果发现，使熔体液面发生共振或次谐波共振的波形均能增强凝固组织的细化效果。

5 结论

(1)PMO处理使纯铝凝固组织细化，其细化效果与PMO的电流波形有关；对熔体施加能产生液面共振或次谐波共振的PMO波形，能显著增强凝固组织的细化效果。

(2)铸型尺寸的变化使熔体液面的固有频率改变，进而使细化效果最佳的脉冲电流波形也发生变化，不同尺寸熔体液面的共振或次谐波共振可通过施加不同的PMO波形来产生，从而增强细化效果。