金属及合金凝固过程是金属材料成型过程中的重要步骤,控制凝固过程和凝固组织对材料的后续加工过程以及最终的服役过程至关重要。凝固过程中形成的非金属夹杂物、疏松、缩孔、宏观偏析以及组织粗大等缺陷,一旦凝固完成就很难消除,甚至即使采用大变形量的塑性变形过程仍然无法消除,严重时将形成巨大的缺陷或安全隐患,或者导致部件的服役性能大幅度降低,因此如何有效控制凝固过程中的热量、质量和动量传输过程,进而控制凝固组织、溶质分布,消除凝固缺陷,一直是凝固领域的关键研究目标。在凝固过程中,由于热量传输过程受多种因素的扰动,导致熔体温度的不均匀,必将导致浮力流;枝晶或凝固界面推进中,溶质的排出或偏析也将引起熔体密度的变化,同样形成浮力流;而温度梯度引起的表面张力梯度也将引起Marangoni对流;施加超声波、电磁场、机械搅拌等还将引起熔体的受迫流动等等,这些流动将进一步影响熔体的温度梯度、溶质分布、界面生长过程,最终必将影响到铸件的凝固质量。因此,如何控制凝固过程中的流动或者引入特定的受迫流动,来调控凝固过程,近年来受到凝固工作者的广泛关注。在凝固过程中引入电磁场,能对该过程中传热、传质和动量传输的方式和速度产生显著影响,不仅有利于控制凝固组织、改善凝固缺陷、消除成分偏析,并最终提高凝固组织性能。但由于实际工业生产中凝固条件的复杂性、电磁场所调控受迫流动的多样性,以及与凝固本身存在的流动的耦合等等问题,导致了电磁场诱导的受迫流动对凝固组织影响机制和规律的研究远未深入。定向凝固技术有利于简化凝固过程,是研究凝固理论的重要手段。为简化工业生产中凝固过程,本文基于定向凝固技术,以Sn-Bi、Sn-Pb和Al-Sn等简单二元合金作为研究对象,通过凝固实验结合数值模拟的方法,深入探讨了电磁场诱导的不同类型、不同量级的受迫流动对二元合金定向凝固和半连铸过程凝固组织的影响规律,以期为凝固组织电磁控制技术的开发提供理论和实验的借鉴。主要研究内容如下:1.研究了横向稳恒磁场作用下定向凝固过程中热电磁力和热电磁对流的量级和方向。通过测定Sn-10wt.%Bi合金的绝对热电势和实际定向凝固实验中降温曲线,计算出实际凝固过程中内生热电流值,并以此推导出Sn-10wt.%Bi合金在该实验条件下定向凝固过程中热电磁力的量级和方向。构建了二元合金定向凝固过程的三维数值模型,模拟了实际定向凝固前沿糊状区中热电磁对流大小及分布,发现随磁场强度的增大(0-0.5 T),热电磁对流逐渐增大;模拟了热电磁对流对二元合金定向凝固过程中溶质分布的影响,发现热电磁对流能驱动溶质在试样单侧富集。并对比凝固试样金相组织,印证了该模拟结果的正确性。2.从金相组织、枝晶间距及成分分布等方面考察了在Sn-10wt.%Bi合金定向凝固过程中横向稳恒磁场诱导的热电磁对流对其组织的影响,并通过对不同磁场强度下糊状区内平均温度梯度的测定,从溶质再分配的角度提出了横向稳恒磁场对二元合金定向凝固组织的影响机制,并最终用数值模拟进行了验证。为进一步验证该机制,横向稳恒磁场被应用于Cz法定向凝固纯Sn、Sn-Bi和Sn-Pb等合金,结果发现,磁场并不能改变纯Sn试样的外形,但能使Sn-Bi和Sn-Pb合金试样弯曲并出现“枝晶”状表面。且当磁场反向时,合金试样弯曲也随之反向。3.从金相组织、枝晶间距及成分分布等方面考察了同时引入外加直流电流和横向稳恒磁场在糊状区诱发与热电磁对流方向相反的电磁对流来抵消由热电磁对流诱发的宏观偏析的可行性,并通过数值模拟的手段进行了验证。进一步地,考察了不同强度的电磁对流对定向凝固组织的影响规律,阐述了电磁对流对定向凝固组织的影响机制。对比电磁对流与热电磁对流对定向凝固组织的影响机制,可以发现,受迫流动对定向凝固组织的影响机制是一致的,都是通过改变凝固前沿溶质再分配来影响凝固组织。4.为进一步考察受迫流动对定向凝固组织的影响,不同频率的方波脉冲电流被引入与横向稳恒磁场复合在凝固前沿糊状区中诱导脉冲电磁对流,并研究了不同频率的脉冲电磁对流对Sn-10wt.%Bi定向凝固组织的影响规律。实验结果表明,10和100 Hz脉冲电磁对流作用下的凝固组织与仅施加磁场的类似,而1 Hz脉冲电磁对流作用下的凝固组织发生了明显的改变。分析其原因主要是因为不同脉冲频率作用下糊状区内电磁对流速度及其对排出Bi溶质的输运能力是不同的,这将导致凝固前沿溶质再分配的区别,并进而导致定向凝固组织的不同。为证明这个观点,本文首先通过数值模拟的手段,研究了不同频率的振荡体积力对受迫流动流速和粒子迁移的影响。结果表明,频率越低,受迫流动的速度越大,粒子越容易被迁移。进而,我们对实际定向凝固过程中不同频率下的电磁对流流速和溶质迁移进行了数值模拟。结果表明,频率越低,溶质越容易被输运出溶质边界层。并通过流场模拟的结果计算了半周期内溶质迁移的距离,与定向凝固过程中溶质边界层厚度进行了对比,发现只有1 Hz时,溶质能被迁移出溶质边界层,并导致凝固组织改变,这与实验结果是一致的。5.进一步地,本文还从受迫流动对凝固前沿溶质再分配角度考察了电磁振荡频率对半连铸Al-15wt.%Sn合金宏观组织的影响。结果发现,频率越低,Al-Sn半连铸凝固组织等轴晶率越高。通过对不同电磁振荡频率下半连铸过程中流场的模拟,发现频率越低,流动速度越大。通过流场模拟的结果计算了不同振荡频率下半周期内等轴晶运动的距离,发现在低频率下(小于50 Hz)等轴晶更容易被迁移出其溶质边界层,且当等轴晶被迁移出溶质边界层时,等轴晶的生长就会被抑制,等轴晶率将会提高,这与实验结果是一致的。综上所述,本文通过凝固实验结合数值模拟的方法,深入探讨了外加电磁场在熔体中诱导的不同类型、不同量级的受迫流动对定向凝固和半连铸过程中凝固组织、界面形貌、宏观偏析等的影响,对今后的大型铸件的凝固、连铸过程组织控制等方面均有重要的借鉴意义和参考价值!