外磁場對定向凝固枝晶組織形貌的影響

關鍵詞：熱電磁流體動力學效應；水平定向凝固；穩恒橫向強磁場；一次臂間距

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
隨著電磁冶金技術、磁流體動力學理論的不斷發展，利用外加磁場控制金屬凝固過程中 的熱量、質量、動量傳輸及液態金屬成型過程得到人們的廣泛重視。對于多相合金，溫度梯度、熱電能差及熱電效應將對金屬凝固過程產生多方面影響。對于任意合金凝固過程，只要 存在不同溫度梯度和不同相之間的熱電能差，Seebeck 效應就將發揮作用進而產生電動力 emf[1]，emf = - Sth×Gradient(T) ，其中，Sth 為熱電能，表明材料熱電能力的大小，同種材料 固相的熱電能大于液相；合金中導電能力大的成分含量越多的相，熱電能越大。該電動力（即電場）推動電荷運動形成熱電流 Jth，Jth/σ=-Sth×Gradient(T)。當把外加磁場施加到合金凝固體系中時，外加磁場與速度場、熱電流場復合將對糊狀區枝晶網絡及固液界面前沿產生復雜 的作用和影響。一方面，外磁場與熱電流復合產生推動溶質運動的熱電磁流體動力學效應
（TEHHD）[2]，形成熱電磁流體速度場（Jth×B）；另一方面，外加磁場與僅由溫度梯度形成 的液相對流速度場及新形成的熱電磁流體速度場復合作用，產生抑止流體運動的磁制動效應
（MHD）[3]，制動力大小分別與 V×B 和 Jth×B×B 的大小相對應，第 1 項與 B 成正比，第 2
項與 B2 成正比。那么在某一特定凝固條件下 TEHHD 與 MHD 哪一個發揮主要作用及其發 揮主要作用的控制條件的確定，將成為實際利用外磁場控制金屬凝固過程首要解決的問題。
同時，TEHHD 與 MHD 的交互作用否存在相對穩定階段以便于人為控制結晶組織形貌，也
需要我們對其進行研究和驗證。
2. 實驗方法
將 Al-4.0%Cu、Al-11%Si 合金加工成 φ14×140 mm 的試樣，每次取用 1 個裝在 φ16（內 徑）×150 mm 石英坩堝內，兩側用石墨短棒封堵。安裝坩堝到如下圖 1 所式的水平定向凝固裝置上。開啟加熱系統使試樣充分熔融后，啟動調速裝置牽引整套定向凝固系統水平右移，使試樣在固定不動的情況下由左到右依次進入冷卻系統經歷降溫冷卻過。在此過程的同時，施加橫向穩恒磁場。這樣，通過控制水平牽引速度、外加磁場強度參數，多組不同速
圖 1 水平定向凝固裝置結構示意圖

度、磁場條件的試樣被制備出來。經過對試樣的金相分析測量，繪制得出一次臂間距隨
外磁場強度、水平牽引速度的關系圖，用以分析探索熱電磁流體動力學效應在合金定向凝固 過程的作用及影響。
3. 實驗結果
通過對 Al-4.0%Cu 合金定向凝固條件下的實驗，測得其一次枝晶臂間距隨外加磁場強度變 化的數據并繪制出相應變化曲線如下圖 2 所示。
圖 2 一次臂間距與勵磁電流的關系

在牽引速度較小的 25µm/s 時，一次臂間距隨外磁場的增大先增大后減小，在勵磁電流
為 50A 時出現最大值，隨后不斷減小甚至出現小于未加磁場時的情況。隨著牽引速度的增 大，參看 40、50、70、100µm/s 曲線，一次臂間距呈現出震蕩增大現象，總體上看一次臂間 距隨外磁場增大而不斷增大，但增大過 程是反復波動的，每次出現極大值后必然僅隨出現
一個極小值。

對于 Al-11%Si 合金，參見右圖 3，在牽引速 度較小的 20µm/s 時，一次臂間距隨外加磁 場增大呈現波動反復現象，在經歷了最初一段相對穩定階段后一次臂間距開始增大，在 出現極大值后立即減小出現略小于最初穩 定階段的極小值。其后，極大值與極小值交 替震蕩出現。在牽引速度 30µm/s 時，一次 臂間距在出現最初的穩定段后立即減小出 現最小值，之后不斷增大，值得注意的是， 增大速度是漸緩的。隨著牽引速度的進一步增大，參看 v50µm/s 和 v70µm/s 兩條曲線， 一次臂間距隨著外磁場的增大出現先增大
圖 3 一次臂間距與勵磁電流的關系

出現最大值然后不斷減小。特別是 v70µm/s 曲線在最小值出現后立即出現反彈增大現象。
各組 Al-4.0%Cu 合金縱剖金相照片（×100）見表 1。