强磁场下电磁振荡对Al-Si系合金凝固组织的影响

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Al-Si合金的性能和凝固组织密切相关,而电磁振荡可对凝固组织产生重要影响。本文采用强磁场和交变电流复合作用产生电磁振荡,进行了电磁振荡下Al-Si合金自由凝固实验,系统和深入地研究了电磁振荡对Al-6wt%Si、Al-18wt%Si和Al-Si共晶合金凝固组织的影响规律。 在Al-6 wt%Si合金凝固的过程中同时施加1T的磁场和J=1.13×104A/m2交变电流后,晶粒尺寸急剧减小,微观形貌由树枝晶转变为蔷薇形组织。在磁场强度小于4T时,晶粒尺寸随着电流密度的增加而增大,磁场强度大于4T时,晶粒尺寸随电流密度的增加没有明显的变化。电流密度一定时,晶粒尺寸随着磁场强度的增加逐渐减小,微观形貌逐渐向颗粒状组织转变。在Al-6wt%Si合金凝固的过程中施加电磁振荡持续到固相分数小于0.23时,晶粒没有细化;持续到固相分数大于0.42时,晶粒细化。冷却到一定的固相分数施加电磁振荡时,开始施加电磁振荡的固相分数小于0.42时,晶粒细化,开始施加电磁振荡的固相分数大于0.53时,晶粒没有细化。研究表明:在强磁场中施加电磁振荡下,凝固组织的形貌和大小是由电磁振荡力大小、磁场抑制流动作用和焦耳热效应三者综合决定的。 在Al-18wt%Si合金凝固过程中施加电磁振荡后,磁场强度B=2T条件下电流密度小于5.56×104A/m2时,初生硅会发生偏析和团聚现象;电流密度增大至1.69×105A/m2,初生硅的分布较均匀。磁场强度B=10T条件下,电流密度小于1.13×104A/m2时初生硅发生偏析和团聚现象,电流密度增大至5.56104A/m2时,初生硅分布较均匀,电磁振荡频率对初生硅的分布影响不大。初生硅的形貌随着电磁振荡强度的增大由星瓣状转变成板条状和近颗粒状转变。初生硅形貌变化的主要原因是:电磁振荡力引起合金熔体温度场的均匀化从而增加了初生硅形核率,相互摩擦、碰撞和空化效应导致的机械破碎和抑制初生Si的各向异性生长。电磁振荡频率增大使初生硅由板条转变颗粒状,振荡频率增大使机械破碎初生硅的能力增强可能是初生硅转变的原因。初步分析认为,在电磁振荡力的作用下,过共晶合金中领先析出的共晶硅相互碰撞粘结,导致“初生”α相与其分离,独自形核生长,从而导致大量得“初生”α相的出现和共晶组织的消失。 在Al-Si共晶合金凝固过程中施加电磁振荡,共晶组织中的Si相都变长、增厚和间距增大,且随着振荡强度的增大,析出了大量的“初生”α相和“初生”硅相。电磁振荡可以使共晶硅生长界面处不断得到硅原子补充并使生长速度提高,从而使共晶硅的分枝减少,形成厚长硅片;电磁振荡能使液固界面前沿溶质边界层减薄,进一步提高横向传质能力,使硅生长可通过长距离扩散来实现,导致共晶硅间距增大;电磁振荡导致的共晶硅相互碰撞粘结使合金中出现了“初生”α相和“初生”β相。 本文研究结果表明:在Al-Si合金凝固过程中施加电磁振荡具有细化晶粒,改善初生α相的分布,改变初生硅的分布和形貌,使共晶组织中的Si相变长、增厚以及增大Si相间距的作用,因此本文结果对改善合金凝固组织的形貌具有一定的借鉴意义。
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