脉冲磁致振荡作用下金属凝固晶粒产生机制研究

Pulse magneto oscillation (PMO) technique has shown the potential to enhance the quality of metal alloys remarkably, because it can stably generate the significant grain refinement and structure homogenization. However, the grain multiplication mechanism playing a key role in the grain refinement driven by PMO has not yet achieved a consistent picture, which severely limits the development and optimization of PMO technique. The present project focuses on the grain multiplication mechanism by employing the quenching method and the coupled numerical and physical simulation method to investigate deeply the two possible mechanisms: heterogenous nucleation and dendrite fragmentation. Details of the research are as follows: (1) to obtain the evolution of solidified structure under the impact of PMO using the quenching method during solidification; (2) to achieve the quantitative information of the electromagnetic, fluid flow, solute and temperature “fields” induced or influenced by PMO through coupling the numerical and physical simulations; (3) to understand the grain multiplication mechanism and occurred thresholds under the application of PMO by considering the constitutional theory, mechanical broken and remelting models. This research will not only clarify the mechanism of grain refinement driven by the PMO technique, but also enrich the theory of grain refinement of metals driven by pulsed electromagnetic fields and promote the application of the PMO technique in industry.

脉冲磁致振荡（简称PMO）凝固细晶技术是实现凝固均质化最有效的手段之一，在提升传统金属材料品质上具有极其诱人的前景。但是，PMO凝固细晶的核心问题，即晶粒产生机制，尚不清楚，严重制约了PMO技术的高效应用。本项目将聚焦于PMO作用下晶粒产生机制这一关键科学问题，采用特制的凝固快淬装置以及数值和物理模拟相结合的方法，围绕晶粒产生的两类可能机制：异质形核机制和枝晶断裂进行深入研究。具体研究内容包括：采用凝固快淬装置实时研究凝固组织，获得凝固过程中PMO作用下凝固组织的演变规律；采用数值和物理模拟相结合的方法定量研究PMO作用下的“场”，获得电磁场、流场、溶质场和温度场分布的定量描述；在此基础上，结合现有成分过冷理论和断裂模型分别研究异质形核和枝晶断裂的发生机制和条件。本项目旨在揭示PMO作用下晶粒产生机制，以深化和丰富脉冲电磁场凝固细晶理论，为PMO技术的高效利用提供理论支撑。

脉冲磁致振荡（简称PMO）凝固细晶技术是实现凝固均质化有效的商业化手段之一，显著提升金属材料品质。本项目着重对PMO作用下的电磁场、流场和温度场分布和演变规律进行研究，同时研究了PMO作用下凝固组织的演变规律，最终揭示PMO作用下凝固细晶机制。通过本项目研究，系统研究了PMO在金属熔体内部的电磁效应以及熔体流动分布规律，以及随电磁参数的演变规律。研究表明电磁力主要集中作用在熔体边缘处，且电磁力沿径向先向里再向外，同时沿着轴向电磁力强度在线圈中心位置出现最大值，进而导致熔体中双环流的形成。此外，还发现电流强度，频率与流动强度正相关，但是随着脉宽的增大，流动反而先增大后减小，其原因是流动强度取决于电磁力随时间的积分。在此基础上，研究了电磁参数对凝固组织晶粒细化的影响，发现细晶效果与电流强度和频率正相关，但随着脉宽增大先细化后粗化，与流动强度的演变规律一致，表明PMO作用下金属在凝固过程中产生晶粒细化的主要原因是强制流动。随后，通过液淬实验以及数值模拟研究了固液界面前沿的枝晶形貌、电磁场、流场、焦耳热等，从而更为全面的揭示了强制流动的枝晶熔断机制，并给出了相应的细晶模型。本项目研究丰富了脉冲电磁场下金属凝固细晶机制，同时对于科学、稳定、高效、经济地应用PMO技术提供金属材料品质，具有十分重要的意义。