外磁場對定向凝固枝晶組織形貌的影響

關鍵詞：熱電磁流體動力學效應；水平定向凝固；穩(wěn)恒橫向強磁場；一次臂間距

Abstract
Al-4.0%Cu、Al-11%Si alloy is solidified under transverse static magnetic field at horizonatl directional
solidify device. The measured prime dendritic spacing, increasingly, oscilate with magnetic field intensity and dragging speed of solid-melt interface. The oscilation is caused by TEMHD and MHD.

Keywords: thermoelectric magnetohydrodynamic effect;
1. 引言
隨著電磁冶金技術、磁流體動力學理論的不斷發(fā)展，利用外加磁場控制金屬凝固過程中 的熱量、質量、動量傳輸及液態(tài)金屬成型過程得到人們的廣泛重視。對于多相合金，溫度梯度、熱電能差及熱電效應將對金屬凝固過程產(chǎn)生多方面影響。對于任意合金凝固過程，只要 存在不同溫度梯度和不同相之間的熱電能差，Seebeck 效應就將發(fā)揮作用進而產(chǎn)生電動力 emf[1]，emf = - Sth×Gradient(T) ，其中，Sth 為熱電能，表明材料熱電能力的大小，同種材料 固相的熱電能大于液相；合金中導電能力大的成分含量越多的相，熱電能越大。該電動力（即電場）推動電荷運動形成熱電流 Jth，Jth/σ=-Sth×Gradient(T)。當把外加磁場施加到合金凝固體系中時，外加磁場與速度場、熱電流場復合將對糊狀區(qū)枝晶網(wǎng)絡及固液界面前沿產(chǎn)生復雜 的作用和影響。一方面，外磁場與熱電流復合產(chǎn)生推動溶質運動的熱電磁流體動力學效應
（TEHHD）[2]，形成熱電磁流體速度場（Jth×B）；另一方面，外加磁場與僅由溫度梯度形成 的液相對流速度場及新形成的熱電磁流體速度場復合作用，產(chǎn)生抑止流體運動的磁制動效應
（MHD）[3]，制動力大小分別與 V×B 和 Jth×B×B 的大小相對應，第 1 項與 B 成正比，第 2
項與 B2 成正比。那么在某一特定凝固條件下 TEHHD 與 MHD 哪一個發(fā)揮主要作用及其發(fā) 揮主要作用的控制條件的確定，將成為實際利用外磁場控制金屬凝固過程首要解決的問題。
同時，TEHHD 與 MHD 的交互作用否存在相對穩(wěn)定階段以便于人為控制結晶組織形貌，也
需要我們對其進行研究和驗證。
2. 實驗方法
將 Al-4.0%Cu、Al-11%Si 合金加工成 φ14×140 mm 的試樣，每次取用 1 個裝在 φ16（內 徑）×150 mm 石英坩堝內，兩側用石墨短棒封堵。安裝坩堝到如下圖 1 所式的水平定向凝固裝置上。開啟加熱系統(tǒng)使試樣充分熔融后，啟動調速裝置牽引整套定向凝固系統(tǒng)水平右移，使試樣在固定不動的情況下由左到右依次進入冷卻系統(tǒng)經(jīng)歷降溫冷卻過。在此過程的同時，施加橫向穩(wěn)恒磁場。這樣，通過控制水平牽引速度、外加磁場強度參數(shù)，多組不同速
圖 1 水平定向凝固裝置結構示意圖

度、磁場條件的試樣被制備出來。經(jīng)過對試樣的金相分析測量，繪制得出一次臂間距隨
外磁場強度、水平牽引速度的關系圖，用以分析探索熱電磁流體動力學效應在合金定向凝固 過程的作用及影響。
3. 實驗結果
通過對 Al-4.0%Cu 合金定向凝固條件下的實驗，測得其一次枝晶臂間距隨外加磁場強度變 化的數(shù)據(jù)并繪制出相應變化曲線如下圖 2 所示。
圖 2 一次臂間距與勵磁電流的關系

在牽引速度較小的 25µm/s 時，一次臂間距隨外磁場的增大先增大后減小，在勵磁電流
為 50A 時出現(xiàn)最大值，隨后不斷減小甚至出現(xiàn)小于未加磁場時的情況。隨著牽引速度的增 大，參看 40、50、70、100µm/s 曲線，一次臂間距呈現(xiàn)出震蕩增大現(xiàn)象，總體上看一次臂間 距隨外磁場增大而不斷增大，但增大過 程是反復波動的，每次出現(xiàn)極大值后必然僅隨出現(xiàn)
一個極小值。

對于 Al-11%Si 合金，參見右圖 3，在牽引速 度較小的 20µm/s 時，一次臂間距隨外加磁 場增大呈現(xiàn)波動反復現(xiàn)象，在經(jīng)歷了最初一段相對穩(wěn)定階段后一次臂間距開始增大，在 出現(xiàn)極大值后立即減小出現(xiàn)略小于最初穩(wěn) 定階段的極小值。其后，極大值與極小值交 替震蕩出現(xiàn)。在牽引速度 30µm/s 時，一次 臂間距在出現(xiàn)最初的穩(wěn)定段后立即減小出 現(xiàn)最小值，之后不斷增大，值得注意的是， 增大速度是漸緩的。隨著牽引速度的進一步增大，參看 v50µm/s 和 v70µm/s 兩條曲線， 一次臂間距隨著外磁場的增大出現(xiàn)先增大
圖 3 一次臂間距與勵磁電流的關系

出現(xiàn)最大值然后不斷減小。特別是 v70µm/s 曲線在最小值出現(xiàn)后立即出現(xiàn)反彈增大現(xiàn)象。
各組 Al-4.0%Cu 合金縱剖金相照片（×100）見表 1。