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直流电流及脉冲电流对ZA27合金凝固组织影响的实验研究

王劲  
【摘要】: 控制凝固过程目前已成为提高传统材料性能和开发新材料的重要途径。与其它物理场(如振动场、高压场,超声场)相比,电场和磁场对金属凝固过程的作用机理有其特殊性,电磁场通过影响金属熔体中电子和离子的运动状态使相变发生变化。材料的宏观性能及微观状态与材料中的电子和离子的运动状态密切相关,在金属和合金液凝固热能量场的基础上同时施加冷能量场,材料在复合交互场的交互作用下会呈现一系列新的特点。 本文自行研究出一台方波脉冲电流发生装置及与之配套的凝固实验装置,以ZA27合金为研究对象,研究了脉冲电流及直流电流作用对凝固组织的影响。实验研究结果表明: 直流电流和脉冲电流对金属的凝固过程及其凝固组织具有良好的孕育和变质作用。在一定的范围内,随着直流电流密度的增加,ZA27合金的凝固组织得到了细化,并且合金中各相的成分趋于均匀。这主要是由于电流引起了熔体中的电迁移效应及电流在熔体中偏聚引起焦耳热效应所导致的枝晶熔断所致。 分析了脉冲参数对金属凝固组织影响的要点。认为脉冲波形、脉冲电流幅值、脉冲频率、脉冲宽度不仅关系到环境对凝固系统所做功值的大小,而且关系到熔体的惯性响应频率。 脉冲电流使金属凝固组织细化和非枝晶化的机制主要是改变了形核的热力学势垒和扩散激活能,激发熔体处于振荡状态而使晶粒细化。同时,由于脉冲电流与其产生的脉冲磁场的相互作用而诱发的磁流体动力学效应及所激发的振荡状态,在熔体中产生相当大的扰动,起弥散合金元素,均匀温度场,加大熔体整体过冷度并弥散形质核心,抑制枝晶生长,促使非枝晶化,使晶粒细化。 不同方波脉冲频率、不同脉冲宽度的脉冲电流对ZA27合金的凝固组织的影响的实验研究结果表明,在脉冲电流幅值为30A,脉冲频率为300Hz,脉冲宽度为100us时,脉冲电流对ZA27合金的凝固组织明显细化和非枝晶化。 实验的结果表明,随着研究的深入,利用电场、磁场以及电场与其它物理场所构成的交互场来实现对凝固过程和组织的有效控制,完全有可能发展成为一种新型的凝固控制技术。


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