铝合金在脉冲磁场作用下的定向凝固技术研究

本文研究了在脉冲磁场的作用下，AL-Cu合金的定向凝固组织演变规律，并用ANSYS有限元软件分析了在脉冲磁场作用下，熔体里的磁场分布特征，同时通过电磁流体力学方程的推导，分析了熔体所受的电磁力和速度的分布特点。通过该课题的研究，我们取得了以下研究成果： 研制出了额定充电电压可达1000V的大功率、高强度、高频率的脉冲磁场发生设备。该设备对充放电时间及充电电压具有良好的可控制性，可调性。铁芯导磁体的设计，很好的解决了脉冲磁场和定向凝固设备的匹配问题，使金属试样能够在强脉冲磁场中实现定向凝固。 对脉冲磁场发生设备产生的磁场进行了ANSYS有限元的数值模拟。模拟出了磁力线在金属熔体中的分布情况，同时通过对电磁流体力学方程的推导，结合模拟出的磁力线的分布，分析出了金属熔体中的电磁力和速度的分布特点。 实验分析发现在定向凝固的条件下，随着脉冲磁场强度的增加，枝晶间距和共晶团簇数均由小变大再变小。从电磁力，能量的角度和焦耳热的角度分析指出了脉冲磁场对金属凝固组织不但具有细化的作用，而且还具有粗化的作用。其对晶粒尺寸的作用存在一个极值。同时还发现随着脉冲磁场强度的增加，柱状晶的形态也发生改变。并同时使用λ-理论和分形理论解释了这种变化的原因。 此外实验研究还发现在同一输入电压下，改变放电时间，随着放电时间的加长，晶层片间距变大，共晶团簇数变大。柱状晶组织形态也发生改变。同时通过定量描述指出了对磁感应强度和放电时间进行合理的匹配，是控制脉冲磁场作用下合金的定向凝固晶粒细化的关键因数。