靳平霞 徐智帥 徐燕祎 張?jiān)苹?鄭紅星 翟啟杰

(上海大學(xué)先進(jìn)凝固技術(shù)中心，上海 200044)

高品質(zhì)合金制備通常需要經(jīng)過(guò)冶煉、凝固、熱處理等多個(gè)環(huán)節(jié)，其中凝固過(guò)程控制是影響合金質(zhì)量最為重要的步驟之一[1]。外加物理場(chǎng)手段，如機(jī)械振動(dòng)[2]、電磁凝固[3]、脈沖磁致振蕩凝固[4-6]等，都可以細(xì)化晶粒組織，有效改善溶質(zhì)偏析，其中脈沖磁致振蕩凝固技術(shù)[7-8]在鋼鐵及鋁合金中的應(yīng)用效果顯著，但其在功能類合金中應(yīng)用的相關(guān)研究和報(bào)道較少。功能類合金制備多采用模鑄法，而目前對(duì)于脈沖磁致振蕩作用下模鑄凝固過(guò)程中合金熔體的物理場(chǎng)的研究相對(duì)較少。研究者們大多采用數(shù)值模擬的方法研究合金熔體內(nèi)部電磁場(chǎng)、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及溶質(zhì)成分的分布規(guī)律。如訾炳濤等[9-10]基于有限元法研究發(fā)現(xiàn)，脈沖磁場(chǎng)作用下金屬熔體的流場(chǎng)具有上下、里外分布不對(duì)稱和總體分布不均的特點(diǎn)，且該趨勢(shì)隨著脈沖磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而加劇。Wang等[11]采用有限元軟件對(duì)鎂合金熔體的脈沖磁場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行耦合發(fā)現(xiàn)，脈沖磁場(chǎng)通過(guò)強(qiáng)化熔體對(duì)流效應(yīng)促進(jìn)了枝晶臂的折斷和重熔，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。馬小平等[12]針對(duì)高溫合金物理場(chǎng)的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，徑向電磁力加速了熔體的振動(dòng)，振動(dòng)的傳播和疊加導(dǎo)致了強(qiáng)壓力波的形成。程譽(yù)鋒[13]基于有限元數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，脈沖磁致振蕩下電磁力主要集中于型壁液面處，起促進(jìn)熔體形核的作用。本文基于液態(tài)Ga-In-Sn合金，結(jié)合Comsol多物理場(chǎng)數(shù)值模擬及熔體流速物理試驗(yàn)兩種方法，研究了模鑄凝固條件下，脈沖磁致振蕩線圈與合金熔體高度方向的相對(duì)位置變化對(duì)熔體內(nèi)部流場(chǎng)的影響。

1 超聲多普勒測(cè)速試驗(yàn)方法與裝置

采用超聲多普勒測(cè)速儀(DOP4000)(見(jiàn)圖1)測(cè)量Ga-In-Sn熔體的流速[14-15]，亞克力玻璃模具內(nèi)徑75 mm，內(nèi)部熔體高度設(shè)定為200 mm。將8 MHz多普勒探頭傳感器固定于圓柱形模具底部中心。脈沖磁致振蕩線圈由水冷銅管制成，可上下移動(dòng)調(diào)整與熔體高度方向上的相對(duì)位置。脈沖磁致振蕩波形以圖2所示分段函數(shù)形式輸入，采用的電磁參數(shù)分別為IP=600iA，f=5jHz，tP=1kms，其中i、j、k為脈沖設(shè)備系數(shù)。

圖2 脈沖電流輸入函數(shù)

2 有限元網(wǎng)格劃分

采用Comsol有限元法多物理場(chǎng)數(shù)值模擬軟件對(duì)脈沖磁致振蕩下鑄錠凝固過(guò)程的磁場(chǎng)及流場(chǎng)分布進(jìn)行分析。Ga-20%In-12%Sn(質(zhì)量分?jǐn)?shù))合金的熱物性參數(shù)[16]見(jiàn)表1。定義材料屬性并賦予線圈、液態(tài)金屬和空氣單元，脈沖磁致振蕩線圈由水冷銅管制成，高度約125 mm，內(nèi)、外徑分別為100和124 mm。其中以線圈中心與金屬熔體水平中線重合為例，合金熔體和線圈選擇規(guī)整正方形網(wǎng)格，除了線圈上下方空氣部分采用正方形網(wǎng)格，以確保計(jì)算精度外，其余部分空氣選擇自由三角形網(wǎng)格以減少計(jì)算量，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。本文數(shù)值模擬基于以下幾點(diǎn)假設(shè)：(1)采用二維軸對(duì)稱模型進(jìn)行系統(tǒng)簡(jiǎn)化；(2)將電磁線圈視為電流密度均勻分布的螺線管線圈；(3)液態(tài)金屬為牛頓不可壓縮流體，不考慮溫度耗散；(4)采用滑移邊界條件，液態(tài)金屬表面設(shè)定為自由壓力點(diǎn)約束；除自由表面外，所有壁面采用無(wú)滑移邊界條件。

表1 Ga-20%In-12%Sn合金的熱物性參數(shù)

圖3 有限元網(wǎng)格劃分

3 結(jié)果與討論

圖4是將脈沖磁致振蕩線圈施加在相對(duì)Ga-In-Sn液態(tài)金屬高度方向的上、中、下3個(gè)不同位置時(shí)，熔體中心軸線軸向流速的物理試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。從圖4可以看出，當(dāng)線圈位于熔體不同位置時(shí)，脈沖磁致振蕩處理20 s，線圈下部熔體流速方向均向下，線圈上部流速方向均向上，這表明改變線圈位置不會(huì)對(duì)熔體內(nèi)部流速的分布產(chǎn)生較大影響。此外，還可以看出,在3種不同情況下，脈沖磁致振蕩在金屬熔體中產(chǎn)生了近似相同的流動(dòng)形式的流動(dòng)強(qiáng)度，最大流速均為90 mm/s左右。主要區(qū)別在于：線圈位于熔體上部時(shí)，熔體頂部流動(dòng)較強(qiáng)，而底部較弱(圖4(a))；位于熔體中部時(shí)，在熔體上、下部分出現(xiàn)了一個(gè)軸對(duì)稱流動(dòng)(圖4(b))；位于熔體下部時(shí)，熔體頂部流動(dòng)較弱，而底部較強(qiáng)(圖4(c))。強(qiáng)制流動(dòng)通常被認(rèn)為是脈沖電流引起凝固組織細(xì)化的主要因素[5]，因?yàn)閺?qiáng)制流動(dòng)引起溶質(zhì)起伏和溫度起伏，導(dǎo)致枝晶熔斷從而細(xì)化晶粒[17]。因此相比其他兩個(gè)位置，線圈位于熔體中部時(shí)引起的模鑄凝固組織細(xì)化效果最好。

圖4 線圈位于熔體上(a)、中(b)、下(c)3個(gè)位置時(shí)脈沖磁致振蕩處理20 s內(nèi)Ga-In-Sn合金熔體中心軸線軸向的流速分布

圖5是線圈位于熔體上、中、下3個(gè)位置時(shí)脈沖磁致振蕩處理5 s后熔體流場(chǎng)分布的數(shù)值模擬結(jié)果，與圖4的物理試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比可知：(1)脈沖磁致振蕩處理引起熔體沿線圈中心上下對(duì)稱位置形成了較大的渦流現(xiàn)象[18-19]；(2)數(shù)值模擬得出的流速數(shù)值較試驗(yàn)測(cè)量值略大(偏差<10%),如熔體中心軸線處，試驗(yàn)測(cè)得的最大流速約90.5 mm/s，數(shù)值模擬的最大流速約97.9 mm/s。可能有以下幾點(diǎn)原因：(1)試驗(yàn)過(guò)程中輸入的脈沖電流的波形有變化，而數(shù)值模擬對(duì)波形進(jìn)行了理想化處理；(2)部分?jǐn)?shù)值模擬假設(shè)可能不完全符合實(shí)際條件，如電磁線圈不能完全被視為空心圓柱體，電流密度分布不均勻且存在一定的溫度耗散?？傮w上，數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果均表明：當(dāng)線圈位于熔體上方(圖4(a)和5(a))時(shí)，液面波動(dòng)最為劇烈，有助于形成頂部結(jié)晶雨[20]，但熔體底部流速較小，不利于凝固組織整體均勻細(xì)化；當(dāng)線圈位于熔體下方(圖4(c)和5(c))時(shí)，熔體頂部晶核脫落效果不明顯；當(dāng)線圈位于熔體中部(圖4(b)和5(b))時(shí)，熔體內(nèi)部渦流分布相對(duì)較為均勻，液面適度振蕩可形成較多的結(jié)晶雨晶核。

圖5 線圈位于熔體上(a)、中(b)、下(c)3個(gè)位置時(shí)脈沖磁致振蕩處理5 s后Ga-In-Sn合金熔體內(nèi)的流速分布

圖6 線圈位于熔體上(a)、中(b)、下(c)3個(gè)位置時(shí)Ga-In-Sn合金熔體高度方向的磁通密度分布(t=7e-4s)

4 結(jié)術(shù)語(yǔ)

綜合數(shù)值模擬與物理試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果，得出在脈沖磁致振蕩外場(chǎng)作用下，模鑄熔體內(nèi)部在高度方向上存在兩個(gè)強(qiáng)渦流。在本文給定的脈沖參數(shù)條件下，將脈沖磁致振蕩線圈放置與熔體中部平齊時(shí)，可同時(shí)兼顧熔體內(nèi)部均勻?qū)α骷耙好嫣幮魏说恼{(diào)控。