声-磁协同场作用下DC铸造镁合金全体积均匀凝固机理研究

随着交通运输业、武器装备轻量化的发展，作为最轻的金属结构材料镁合金有着广泛的应用前景。但由于镁合金结晶区间宽、热导率低、凝固时体积收缩较大，组织粗化倾向严重，易产生缩松、热裂等铸造缺陷，如何解决这些问题就显得尤为重要。本申请提出同时施加超声和电磁协同场实现全体积均匀凝固的新方法来解决这些问题。根据两种物理场各自的特点，重点考察单一场和协同场作用下镁合金熔体中的流场、温度场和浓度场分布，研究单一场和协同场作用下凝固进程中的固液界面控制机制，单一场和协同场强制对流作用下微观结晶动力学机制，单一场和协同场作用下内应力控制机制。建立声-磁协同场作用下金属熔体全体积均匀凝固理论。在上述研究基础上，开发制备均质、细晶高质量大规格镁合金锭坯的控制技术原型，为该方法在工业生产中的应用奠定理论基础。

由于镁合金结晶区间宽、热导率低、凝固时体积收缩较大，组织粗化倾向严重等铸造缺陷。本项目提出采用施加超声场和电磁协同场实现全体积均匀凝固的新方法新工艺来解决这些问题。. 本项目系统研究了电磁场作用下轴对称镁合金圆坯DC铸造过程中流场和温度场的变化规律，明确了镁合金DC铸造条件对传热行为的影响及与凝固组织的关系，掌握了镁合金凝固组织电磁场的调控方法。发现镁合金圆坯在DC铸造过程中糊状区的大小与形状影响锭坯组织的主要因素，揭示了磁致强制对流使糊状区(液固两相区)大小与形状发生变化，减小温度梯度差别是实现凝固组织细化、等轴化与均匀化的物理本质，初步形成了镁合金电磁DC铸造理论；明确了电磁作用与铸造速度的相关性，注意到了低频电磁场的渗透深度与能量密度对锭坯细化效果的反向作用；开发了具有自主知识产权的镁合金圆坯油滑电磁半连续铸造技术，实现Φ100~500mm锭坯的批量生产，并研制出世界上规格最大的Φ800mm镁合金锭坯。. 系统研究了超声场声压、频率、施加方式及空化泡尺寸等对镁合金熔体中空化泡运动规律的影响，发现镁合金在超声场的作用下可显著细化镁合金凝固组织，也使第二相细化和弥散化，并发现对镁合金细化存在一个最优超声功率和频率。另外，还首次发现脉冲超声也可显著细化镁合金组织，高脉宽有利于提高细化效果，镁合金经超声处理可显著提高镁合金的强度与塑性。. 通过对超声场作用下镁合金熔体电阻的测量，首次发现经超声处理的镁合金熔体存在电阻瞬态变化值和持久变化值，发现电阻持久变化值是超声致熔体结构变化的直接证据，也进一步证明了超声处理改变了金属熔体结构是凝固组织细化的根源。. 首次将超声与电磁耦合场引入到镁合金圆坯DC铸造，成功的解决了超声与电磁耦合场作用下镁合金圆坯DC铸造过程中流场和温度场的数值模拟，发现电磁场时通过强制对流搅拌作用改变了流场和温度场，从而实现凝固组织的变化；超声的声流对流场和温度场的影响很小，但超声杆显著改变了磁致强制对流与对应的温度场。开发了超声-电磁DC铸造技术，采用该方法可实现镁合金圆坯DC铸造过程中全体积均匀凝固，可使锭坯组织细化和均匀化。. 项目承担期间共获国家专利授权2项，发表学术论文16篇，其中SCI收录9篇，EI收录16篇。