电磁场作用下半固态合金熔体流动行为对凝固组织的影响

（江西理工大学 机电工程学院，江西 赣州 341000）

经过多年的发展，合金的半固态加工已成为新兴的一项高性能精确成形制造范畴的技术，具有高效节能的特点，该技术主要包含半固态金属浆料制备工艺和半固态金属成形过程[1]。半固态浆料中关乎其质量的初生固相的大小、形貌和分布、固相率均需在浆料制备阶段控制。

近10 多年来，人们在半固态金属浆料先进制备工艺的研究和应用中获得了重要进展，先后出现了诸多半固态合金浆料的先进制备工艺[2]，为半固态合金加工技术的推广做出了重要贡献。该技术的一个极为关键问题是如何制备优质的半固态合金浆料或具有非枝晶的坯料。

就目前半固态浆料制备技术的研究和应用来看，多数工艺技术都会应用各种外场对处于固液两相区间的合金熔体实施扰动而产生强制流动，达到调控合金凝固过程的目的。由外场扰动引起的这种流动可加速合金凝固时的能量、动量和质量传输，使温度场、溶质场变得更加均匀，有利于破碎的树枝晶熟化并向球状晶转变，最终获得所需要的凝固组织形貌[3]。

电磁场是应用于半固态合金加工的主要外场之一。将电磁场技术应用于制备半固态合金浆料的优点是：与合金熔体非接触、零污染，易实现连续生产，效率高。为了促进电磁场在半固态合金加工中的应用，还需要深入研究半固态合金熔体在电磁场作用下的流动特性与作用，逐步认清半固态合金浆料的流动对合金凝固过程和凝固组织的影响规律，阐明半固态浆料中非枝晶组织在强制流动中的演变过程，创建调控半固态合金组织性能的措施，为复杂的高性能零部件的精确成形与制造提供技术支撑。

1 电磁场对半固态合金的流动行为的影响

1.1 电磁场搅拌技术在半固态合金浆料制备中的应用

20 世纪初出现了将电磁场搅拌技术应用于金属加工的设想，约20 年后美国人Mcneill J D 申请并获得了世界上首个电磁搅拌技术的专利。20 世纪50 年代初德国企业Huchkingen 在金属连铸生产工艺中首次使用了电磁场搅拌技术，取得了良好的效果[4]。电磁场搅拌的工作原理是通过变化的电磁场在金属熔体内部中的电磁感应产生电磁力（Lorentz 力），进而驱动金属熔体产生强制流动的搅拌方式，如图1 所示。由于电磁力的搅拌可在半固态合金熔体内部产生三维强制对流，使正在生长的初生相被粘稠的合金熔体冲刷、折断，继而相互碰撞，形成许多破碎枝晶；在持续的电磁搅拌作用下，熔体中温度场、浓度场变得更加均匀，破碎枝晶的形貌在熟化过程中向蔷薇状、颗粒状演变，最终形成了半固态合金的非枝晶组织[5]。

图1 电磁搅拌原理Fig.1 Principle of electromagnetic stirring

根据电磁场搅拌装置产生磁场类型的不同，电磁场搅拌装置可分为直线电磁搅拌器、旋转电磁搅拌器以及螺旋电磁搅拌器，各类电磁场搅拌装置的示意图如图2 所示[6]。

根据电磁场搅拌装置的搅拌位置不同，其相应的作用也不同，电磁搅拌装置又可分为结晶电磁搅拌器（M-EMS）、二冷区电磁搅拌器（S-EMS）、凝固末端电磁搅拌器（F-EMS）[7]，如图3 所示。

图2 电磁场搅拌装置Fig.2 Electromagnetic stirring instrument

图3 各段电磁场搅拌器的安装位置Fig.3 Installing place for electromagnetic stirrer in each position

在半固态合金浆料的制备过程中，由电磁场搅拌合金熔体的流动方式来看，电磁场搅拌可分为水平式、垂直式和螺旋式3 种形式，如图4 所示。随着科学水平提升和技术进步，近年来电磁场搅拌工艺也在不断进行技术创新，出现了诸如复合电磁搅拌法[8]和环缝式电磁搅拌法[9]等先进工艺，推进了半固态合金技术向前发展。张志峰等[10]采用自行设计的电磁场搅拌设备，研究了不同工艺参数下，单一施加或复合施加电磁搅拌方式对A357 合金微观组织的影响，结果表明，单一施加旋转感应电磁搅拌或单一施加无芯感应电磁搅拌时，浆料径向凝固组织皆不均匀，只有增大电流时，单一施加无芯感应电磁搅拌制备的浆料质量才有明显的改善。若将旋转感应和无芯感应进行复合电磁搅拌，可在电流较小时获得较好的浆料质量。Zhu 等[11]对圆柱坩埚进行了改造，通过引入一根空心石墨棒获得了环缝式坩埚，并应用这只坩埚研究了冷却速率、电磁搅拌功率和搅拌时间对半固态合金凝固组织的影响，当在冷却速率较快和电磁搅拌功率较大的条件下，搅拌 10 s 就可获得圆整细小的半固态A357 铝合金浆料组织。Liu 和Mao[12]将局部激冷与低过热度浇注和弱电磁搅拌结合，研制了制备半固态A356 合金浆料的新工艺，即在电磁搅拌过程中，将一根紫铜棒引入不锈钢圆筒内的液态合金中，提拉几秒钟，以此在液态合金中产生局部激冷效果。该工艺可显著改善半固态A356 合金中初生α-Al 的形核率、颗粒形状和晶粒尺寸。Itamura 等[13]研制了一个双轴电磁搅拌器，该搅拌器包含旋转电磁搅拌系统和线性行波电磁搅拌系统，可以用于研究不同电磁搅拌方式对浆料组织和熔体温度的影响。研究表明，双轴电磁搅拌方式可以使合金熔体温度更均匀，凝固组织形貌较好，但是这个改进了的电磁搅拌技术尚有不足，主要在于设备的线圈体积大、成本较高，与传统铸造设备安装对接不便，搅拌合金熔体时易卷气卷渣从而产生污染。这样可能使得引入的双重耦合搅拌丧失非接触式搅拌的优势[14]，因此，在应用电磁场搅拌设备制备半固态合金浆料时，还需要从其他的工艺参数和研究方法上针对不同的半固态合金做进一步改进。

图4 3 种电磁搅拌法制备半固态浆料的形式Fig.4 Three kinds of form for preparing semisolid alloy slurry through electromagnetic stirring

江西理工大学的研究团队将变频控制技术引入到电磁搅拌装置中，形成了分级搅拌工艺[15]，可以在连续搅拌过程中变换频率对合金熔体进行分级搅拌，使半固态合金熔体在电磁场作用下产生不同强度和不同流速的流动，以满足电磁搅拌在熔体凝固的初期、中期和后期对凝固组织的要求。研究表明半固态合金熔体凝固初期施加较高频率电磁搅拌，凝固中后期稍微降低搅拌频率，可以得到较好的微观组织形貌和细小晶粒。后来又开发和研制了双向电磁搅拌工艺[16]，利用双向连续搅拌作用液态熔体形成强烈的紊流和惯性冲击，加快半固态合金凝固体系的质量传输、热量传递。当电磁频率为30 Hz 时，半固态初生相的平均等积圆直径为 38.2 μm，形状因子为0.75。在双向电磁搅拌工艺基础上辅以熔体等温保温技术，形成了一种复合制备新工艺，即双向电磁搅拌+等温热处理[17]。该工艺在强化半固态合金熔体流动的基础上，通过适当的等温保温，有效调节初生晶粒的形核和生长，获得了平均等积圆直径为29.4 μm、形状因子为0.86 的初生相。

1.2 熔体流动对半固态合金凝固组织的影响

合金凝固时因外部条件影响或内部因素作用而产生熔体流动是普遍存在的现象，而合金凝固过程中出现的树枝状晶体也是常见的组织形貌，这种组织形貌的形成与合金凝固时的熔体流动具有密切的关系[18]，因此，研究合金液相流动对枝晶形成的作用，如何尽量消除枝晶对合金组织性能的不利影响，是凝固科学一个非常有意义的工作。实践已表明，金属凝固过程中施加磁场是改善组织结构、提高组织性能的重要方法之一[19—21]。20 世纪60 年代，Johnston 等[22]尝试了将电磁场搅拌引入到Sn-Pb 合金凝固组织的研究中，结果表明电磁场可以大幅度提高合金形核的数量，电磁场搅拌使枝晶臂破碎，从而增加了晶核数目，促进了等轴晶细化。Lin[23]从流体的密度、扩散系数、粘度、流道宽度及流速对流体扩散进行了分析和数值模拟，结果表明扩散与流动距离、扩散系数、流动密度和流速存在特定的函数关系，粘稠度影响流体速度梯度但并不直接影响扩散。潘冶[24]等采用控制结晶法制备球状组织的半固态ZL101 铝合金，研究了结晶初期熔体流动对球状初生相形成的作用，结果显示球状晶粒不仅受浇铸温度影响，还受充型方式影响。Trivedi[25]等研究了不同凝固速率和温度梯度情况下，Al-Cu 合金试样定向凝固过程中的液相流动对平界面、胞状晶和树枝晶生长的影响，发现液相流动可以抑制平界面向胞状晶的转变，同时也增大了胞枝晶转变的临界速度。Shin[26]等在CA 模型中考虑了强制对流对枝晶形貌的影响，模拟结果出现了迎流生长的现象。旋转磁场能够消除Sn-Bi 合金的宏观偏析、碎断枝晶和细化凝固组织，加快了熔体流动和固-液界面溶质的扩散速度，随着磁场旋转频率的增大，合金的生长形态经历了从枝晶→等轴晶→球状晶→枝晶的转变，旋转磁场还加快了熔体流动，促进了熔体中溶质场和温度场在分布上趋于均匀化[27]。应用脉冲系列磁场对Al-Si 合金熔体实施搅拌时发现，在较大频率下正反换向的旋转磁场几乎可抑制偏析产生，获得近乎百分之百的等轴晶组织[28]。Hideyuki Yasuda[29]等研究了交替静磁场作用下熔体流动对中碳钢凝固组织的影响。对于低过冷区的凝固，随着静磁场强度的增加，熔体流动逐渐减弱，随着熔体流动速度减小，凝固组织中等轴晶组织的数量也减少。Poole 等研究了电磁搅拌对A1-4.5Cu 合金凝固组织的影响，发现在电磁场作用下，合金凝固组织由无磁场的等轴晶变为完全的柱状晶，并且确定了最终的晶粒尺寸以及线圈工作频率对溶质偏析的影响[30]。在电磁场引起的强制对流作用下，凝固前沿的压力差驱使溶质在糊状区域流动，当溶质在偏析通道富集到足够高时，可使溶质浓度达到共晶成分[31]。Liu 等研究了高强磁场对Al-Si 合金的影响，发现随着冷却速率的增加，磁场可降低Al-Si 合金的二次枝晶臂，这与枝晶和共晶组织生长过程中固/液凝固前沿液相中溶质原子扩散速率下降有关[32]。Metan 等[33]通过晶粒细化和电磁搅拌来控制晶粒尺寸，进而控制Al-Si 合金的机械和物理性能。实验发现，通过对合金熔体施加向上和向下的电磁场对在凝固过程中的熔体进行强制对流，导致了初生相组织的细化、球化，进而提升了合金的机械和物理性能。利用低频率电磁搅拌制备半固态A356-Y合金浆料可获得初生相的等积圆直径和形状因子，其数值分别达到65 mm 以下和0.80 以上，稀土Y 在电磁场引起的熔体强制对流驱动下，其分布沿着铸锭的半径趋于边缘富集，而且随着电流频率增大，稀土Y在铸锭边缘富集程度增大[34]。弱熔体对流对定向凝固组织生长有显著的作用，平均界面过冷度与熔体流动强度有关，当生长速度一定时，随着流动强度增大，平均界面过冷度减小[35]。张嘉艺等[36]研究了半固态A356 稀土合金熔体在施加电磁搅拌后的温度场分布规律以及电磁场对半固态A356 稀土合金熔体中初生α相形貌演变的影响，电磁搅拌下引起的熔体流动可使温度场分布更加均匀，半固态A356-Yb 合金初生相的平均等积圆直径为62.3 μm，平均形状因子为0.78，晶粒圆整细小，组织形貌最佳。张威武等[37]研究发现，在旋转电磁搅拌条件下镁合金熔体在水平方向上围绕结晶器中心做旋转运动，随着磁感应强度从0 增大到100 Gs，水平方向流速从0 增大到6 mm/s，熔体凝固速度加快，结晶器内液相穴深度从20.2 cm减小到10.6 cm，结晶器中心到边部温度梯度减小。电磁搅拌条件下，镁合金凝固组织中等轴晶比率增大，当电磁感应强度增大到40 Gs 时，晶粒平均尺寸由未搅拌时的366 μm 变为110 μm。陈涛等[38]应用低过热度浇注、双向低频电磁搅拌和稀土元素细化处理复合技术制备了半固态A356-La 铸锭，研究了磁场频率对合金铸锭径向显微组织和稀土元素分布规律的影响，磁场频率增加，晶粒球化程度显著，生长方式由枝晶向球晶转变，径向组织以及稀土元素点状弥散分布均匀性增强，磁场频率为25 Hz 时半固态初生相平均等积圆直径和形状因子分别为36.2 μm 和0.82。正是由于电磁场对半固态合金凝固过程的干扰，不仅使其成为非平衡过程，而且所获得的凝固组织具有非线性特征，半固态A356 铝合金初生相形貌属于一种分形结构，不同工艺制备的初生相形貌有不同的分形维数，其凝固过程是一个分形维数变化的过程[39]。

2 数值模拟技术在解析半固态合金流动行为中的应用

由于半固态合金制备过程中电磁场引起的熔体流动行为以及对凝固过程的影响发生在高温下，也不易观察，对实验研究熔体流动在半固态合金加工中的作用、开发新型制备工艺、优化制备参数等带来极大的不便，因此，需要借助和引进先进的方法、手段来提升当前涉及电磁场应用、半固态合金熔体流动、凝固过程控制与优化等问题研究的技术水平，弥补现行研究方法和实验手段的短板，更好地揭示电磁场作用下半固态合金熔体的流动性状与规律，降低半固态合金加工的成本，简化半固态合金研究过程，使产品的质量可靠。这些年随着计算机科学技术的发展，尤其是各种应用软件的成熟和商业化，为数值模拟技术在半固态合金加工中的研究和应用打下了坚实的基础。

首先，各国的研究人员对半固态合金熔体流动有关的二维数学模型进行了研究。訾炳涛等[40]用ANSYS有限元数值模拟软件对铝合金熔体凝固过程中的流场作了数值模拟，模拟结果和实验现象相符合。通过数值模拟发现，用数值模拟的方法不仅可以初步了解凝固过程中熔体的流动状态，还可以了解凝固组织细化和产生缺陷的原因。Chowdhury 等[41]针对连续整体的数学模型进行了数值模拟，并和电磁搅拌技术制备的半固态合金浆料的结果做了对比，发现两者的结果吻合，表明所建立的数学模型真实、可靠。陈兴润等[42]基于耦合的数学模型，结合有限元和有限差分方法，对电磁搅拌条件下半固态合金中的电磁场、流场和温度场进行了耦合模拟分析，获得了搅拌电流强度和频率对熔体中电磁场、流场和温度场分布的影响及规律。Zhang 等[43]对环缝式电磁搅拌法制备半固态浆料过程中的电磁场、流场和温度场进行了数值模拟，研究结果表明电磁场模拟结果与实验结果具有较好的一致性，验证了计算模型与软件算法的可行性。搅拌系统的电磁力主要分布于环缝内，提高了对合金熔体的搅拌强度，加强了熔体的流动。采用Powerlaw cut-off（PLCO）模型可研究半固态A356 铝合金浆料的流场，结合有限元软件ANSYS 和编程软件INTEL FORTRAN 对电磁场、温度场和流场进行了耦合模拟，以探明多场搅拌参数对电磁场、温度场和流场的影响规律，研究表明电磁场随着搅拌频率和电流的增加而增大，但分布不均匀，使得半固态A356 浆料流速增大且分布不均匀[44]。通过对电磁场及流场进行建模分析，仿真结果显示电磁搅拌器中合金熔体在电磁搅拌下的流动速度与搅拌频率的二次方根值有关，而且呈现螺旋状的湍流运动[45]。Ebisu 建立了包含宏观传输控制方程的数学模型，研究了结晶器电磁搅拌过程的磁场特征，并对磁场作用下的液态合金流动及凝固行为进行了分析，并在此基础上用数值模拟方法分析了铸坯内的液态合金流场分布情况[46]。Chen 等通过耦合温度场模型、溶质扩散方程以及枝晶生长动力学方程等重要因素，建立了一种改进的元胞自动机模型，研究了Al-Cu-Mg 三元合金单相和多相枝晶生长时的枝晶形貌和微观偏析，模拟结果与实验结果相吻合，且各元素在枝晶间的成分分布与各元素的分配系数和溶质扩散系数有关[47]。Sukhram 等应用 ANSYS Fluent 模拟了圆柱形铸型中的铝熔体在电磁场作用下的流动与凝固情况，同时考虑了合金凝固时熔体流动速率、过热度和初始温度分布情况的影响[48]。Du 等利用相场法模拟了合金在强制对流条件下枝晶生长过程中的成分和温度分布，结果表明液相流动引起了溶质扩散层厚度的变化，进而影响了溶质偏析，熔体流动降低了迎流方向上的溶质偏析，但导致了枝晶快速生长，强制的熔体流动显著影响了凝固组织的枝晶形貌、成分和温度分布[49]。Guo 等应用相场法研究了熔体流动条件下二元合金的枝晶生长和形貌演变，在凝固后期由于枝晶臂之间的溶质富集导致了一次和二次枝晶臂的熔化[50]。

江西理工大学的研究团队针对建立的简化二维电磁搅拌模型，应用ANSYS15.0 研究了坩埚中半固态A356 铝合金浆料受到磁感应强度和电磁力后沿坩埚径向的分布情况[51—52]。结果表明，不同尺寸（半径）坩埚都呈现基本相同的规律，即磁感应强度从坩埚中心沿坩埚径向逐渐增大，在坩埚半径大约0.85倍的位置处达到最大值，随后接近坩埚边缘处显著减小。作用在熔体上的电磁力也呈现类似的规律，即电磁力沿着坩埚径向逐步增大，且增大幅度越来越大，在坩埚半径约0.9 倍的位置处电磁力达到最大值，而在坩埚边缘处急剧减小，如图5 所示。在电磁搅拌作用下，坩埚中半固态铝合金熔体受到电磁力作用而产生水平和竖直方向上的流动，且各个方向上的流速大小不一，熔体产生的运动不是单一的水平旋转运动，而是方向不定的混沌流动。他们还针对非圆（椭圆形）坩埚，采用数值模拟方法研究了不同坩埚长短轴比例R和电磁搅拌频率对半固态A356 铝合金浆料的流动规律，以及R对半固态A356 铝合金初生相的影响[53]。半固态A356 铝合金在非圆坩埚短轴方向上受到的最大电磁力和最大流速表现为先增大后减小，而非圆坩埚长轴方向上所受最大电磁力和最大流速则是先增大后减小再增大，电磁频率越高，非圆坩埚短轴与长轴之间的电磁力差和流速差越明显，如图6 和图7 所示。在非圆坩埚中实施电磁搅拌时，电流强度和电磁频率都可明显地影响合金熔体中所受到的电磁力差，其中电流强度对调控电磁力差的作用要强于电磁频率，而合金熔体的流速差对电流强度和电磁频率的敏感程度不如电磁力差，但是，电流强度对熔体流速差的影响要略强于电磁频率。当电磁频率和坩埚长短轴比例分别为30 Hz 和1.1 时，非圆坩埚长轴和短轴上的最大流速分别为153.6 和143.2 mm/s，流速差最小，此时可制备出较优的半固态A356 铝合金浆料。

图5 30 Hz 电磁频率下坩埚径向上的磁感应强度和电磁力分布Fig.5 Distribution of magnetic flux density and electromagnetic force in radial direction of crucible at 30 Hz

图6 不同坩埚长短轴比例和电磁频率下的最大电磁力Fig.6 The maximum electromagnetic force under the different major and minor axial ratios of crucible and electromagnetic frequencies

图7 不同坩埚长短轴比例和电磁频率下的最大流速Fig.7 The maximum flow rates under different major and minor axial ratios of crucible and electromagnetic frequencies

应用数值模拟技术研究半固态合金熔体中电磁场作用引起的流动特性过程中，还有新发现。使用CFD-Fluent 流体力学软件模拟电磁场中铝熔液微粒运动轨迹，通过Matlab 分析计算了这些流动轨迹的混沌特征参数：最大Lyapunov 指数及Kolmogorov熵，对其进行了混沌特征判断及分析，结果表明，铝合金熔体在电磁场作用下的流动具有混沌特性，电磁频率为5～30 Hz 时，铝合金熔体中都发生了混沌对流[54]。电磁场导致熔体的混沌流动可以增强粘性流体在层流状态下的溶质扩散、迁移、混合等，有利于获得非枝晶初生相和改善半固态合金初生相的形貌尺寸[55]。

在二维数学模型研究工作的基础上，研究人员还开展了电磁场作用下合金熔体流动的三维数学模型的仿真计算。Fujisaki 等[56]在多种电磁搅拌装置所产生的电磁场和合金熔体流场研究的基础上，建立了可反映交变电流激励下电磁场以及金属熔体运动状态的三维数学模型，应用此模型研究了电磁结晶器搅拌过程中的电磁场特征，阐述了电磁场扰动下合金熔体的流动特性以及凝固过程。Trindade 等[57]应用有限元方法构建了可研究电磁搅拌器磁感应强度的三维数值模型，根据施加电流和频率可计算电磁搅拌器的电磁力数值，计算和试验结果吻合较好，这为后续计算熔体流动现象、阐明流动规律奠定了良好基础。可模拟计算合金的电磁场、温度场和流场的三维模型已成功用于解析半固态AlSi9Mg 合金在电磁场作用下的凝固过程[58]，获得了良好的效果。Wu 等[59]采用数值模拟方法研究了电磁场下AA3003/AA4045 铝合金复层管坯的水平连铸制备过程，建立了三维分析模型并对有无施加电磁场时的两个水平连铸过程分别进行全面模拟与分析。数值模拟结果表明，施加旋转电磁搅拌后，铝合金熔体的紊流作用增强，糊状区的范围增大，糊状区的温度梯度减小且温度场变得均匀。实验结果证实在电磁场作用下，复层管坯组织得到细化并且复合界面的元素扩散作用增强。Li 等[60]在麦克斯韦方程组和低雷诺数k-ε湍流模型的基础上，开发了一个耦合的三维数值模型来描述大方坯结晶器中的电磁场和流场。通过实验发现，通过对熔体施加电磁搅拌，可以有效影响熔体内的流速。当熔体从液态变为固态的过程中，熔体的最大回旋流速从0.42 ms-1降低至0.226 ms-1，流速变化较为明显。

3 结语

电磁场在半固态合金中的应用成就了半固态合金技术的快速发展，是最常见和最成熟的半固态浆料制备方法之一。由电磁场产生的熔体流动，造成半固态合金的凝固是非平衡过程，其凝固组织也具有明显的非线性特征，使得认知半固态合金熔体的凝固规律和阐明其机理也愈加困难。与其他方法制备的合金组织一样，电磁场作用下半固态合金凝固组织的形成和演变是一个动态过程，特别是合金凝固时电磁场扰动对温度场、浓度场和流场的影响可改变合金熔体中溶质的扩散、聚集与分布，导致合金凝固组织形貌和性能发生变化。鉴于电磁场作用下半固态铝合金浆料制备的非平衡、非线性的特点，应该在传统金属凝固理论的基础上，坚持探索和应用新的研究理论和方法，发现规律，阐明机理，完善和丰富技术手段，以更好地指导半固态合金的研究、制备与应用。