外磁场对定向凝固枝晶组织形貌的影响

关键词：热电磁流体动力学效应；水平定向凝固；稳恒横向强磁场；一次臂间距

Abstract
Al-4.0%Cu、Al-11%Si alloy is solidified under transverse static magnetic field at horizonatl directional
solidify device. The measured prime dendritic spacing, increasingly, oscilate with magnetic field intensity and dragging speed of solid-melt interface. The oscilation is caused by TEMHD and MHD.

Keywords: thermoelectric magnetohydrodynamic effect;
1. 引言
随着电磁冶金技术、磁流体动力学理论的不断发展，利用外加磁场控制金属凝固过程中 的热量、质量、动量传输及液态金属成型过程得到人们的广泛重视。对于多相合金，温度梯度、热电能差及热电效应将对金属凝固过程产生多方面影响。对于任意合金凝固过程，只要 存在不同温度梯度和不同相之间的热电能差，Seebeck 效应就将发挥作用进而产生电动力 emf[1]，emf = - Sth×Gradient(T) ，其中，Sth 为热电能，表明材料热电能力的大小，同种材料 固相的热电能大于液相；合金中导电能力大的成分含量越多的相，热电能越大。该电动力（即电场）推动电荷运动形成热电流 Jth，Jth/σ=-Sth×Gradient(T)。当把外加磁场施加到合金凝固体系中时，外加磁场与速度场、热电流场复合将对糊状区枝晶网络及固液界面前沿产生复杂 的作用和影响。一方面，外磁场与热电流复合产生推动溶质运动的热电磁流体动力学效应
（TEHHD）[2]，形成热电磁流体速度场（Jth×B）；另一方面，外加磁场与仅由温度梯度形成 的液相对流速度场及新形成的热电磁流体速度场复合作用，产生抑止流体运动的磁制动效应
（MHD）[3]，制动力大小分别与 V×B 和 Jth×B×B 的大小相对应，第 1 项与 B 成正比，第 2
项与 B2 成正比。那么在某一特定凝固条件下 TEHHD 与 MHD 哪一个发挥主要作用及其发 挥主要作用的控制条件的确定，将成为实际利用外磁场控制金属凝固过程首要解决的问题。
同时，TEHHD 与 MHD 的交互作用否存在相对稳定阶段以便于人为控制结晶组织形貌，也
需要我们对其进行研究和验证。
2. 实验方法
将 Al-4.0%Cu、Al-11%Si 合金加工成 φ14×140 mm 的试样，每次取用 1 个装在 φ16（内 径）×150 mm 石英坩埚内，两侧用石墨短棒封堵。安装坩埚到如下图 1 所式的水平定向凝固装置上。开启加热系统使试样充分熔融后，启动调速装置牵引整套定向凝固系统水平右移，使试样在固定不动的情况下由左到右依次进入冷却系统经历降温冷却过。在此过程的同时，施加横向稳恒磁场。这样，通过控制水平牵引速度、外加磁场强度参数，多组不同速
图 1 水平定向凝固装置结构示意图

度、磁场条件的试样被制备出来。经过对试样的金相分析测量，绘制得出一次臂间距随
外磁场强度、水平牵引速度的关系图，用以分析探索热电磁流体动力学效应在合金定向凝固 过程的作用及影响。
3. 实验结果
通过对 Al-4.0%Cu 合金定向凝固条件下的实验，测得其一次枝晶臂间距随外加磁场强度变 化的数据并绘制出相应变化曲线如下图 2 所示。
图 2 一次臂间距与励磁电流的关系

在牵引速度较小的 25µm/s 时，一次臂间距随外磁场的增大先增大后减小，在励磁电流
为 50A 时出现最大值，随后不断减小甚至出现小于未加磁场时的情况。随着牵引速度的增 大，参看 40、50、70、100µm/s 曲线，一次臂间距呈现出震荡增大现象，总体上看一次臂间 距随外磁场增大而不断增大，但增大过 程是反复波动的，每次出现极大值后必然仅随出现
一个极小值。

对于 Al-11%Si 合金，参见右图 3，在牵引速 度较小的 20µm/s 时，一次臂间距随外加磁 场增大呈现波动反复现象，在经历了最初一段相对稳定阶段后一次臂间距开始增大，在 出现极大值后立即减小出现略小于最初稳 定阶段的极小值。其后，极大值与极小值交 替震荡出现。在牵引速度 30µm/s 时，一次 臂间距在出现最初的稳定段后立即减小出 现最小值，之后不断增大，值得注意的是， 增大速度是渐缓的。随着牵引速度的进一步增大，参看 v50µm/s 和 v70µm/s 两条曲线， 一次臂间距随着外磁场的增大出现先增大
图 3 一次臂间距与励磁电流的关系

出现最大值然后不断减小。特别是 v70µm/s 曲线在最小值出现后立即出现反弹增大现象。
各组 Al-4.0%Cu 合金纵剖金相照片（×100）见表 1。