王 勃，许宝卉，王付杰，王月宇

(1. 运城学院 机电工程系；2. 运城学院 图书馆，山西 运城 044000)

引言

随着社会的发展，人们对金属材料性能的要求愈发严格。成分偏析是一种在合金凝固过程中会普遍发生，且会导致合金凝固组织中各溶质元素分布不均匀的凝固行为，它会严重影响金属材料的机械性能，进而恶化材料的使役性能[1]。早在20世纪30年代，电磁场由于其非直接接触的特性，便在金属凝固偏析的控制领域有了初步应用[2,3]。而后，为了提高连铸坯质量，人们将电磁场应用到冶金连铸生产过程中，如今，电磁搅拌器对于各个钢铁企业的重要性也越来越高。从20世纪60年代开始针对电磁场对金属凝固过程影响的研究大量涌现。王晓东等[4]开发了一种模式行波磁场，并将其用于对金属液的电磁搅拌，结果表明金属液流动强度高于4 Hz的频率时不再增加；Willers等[5]将低频脉冲磁场应用于Al-7%Si合金的凝固过程，研究发现，在合适的参数情况下，通过改变旋转磁场的模式频率，可以明显改善铸锭的宏观偏析。

在金属凝固前沿液相区，旋转磁场能提供较好的搅拌效果，而行波磁场则能提供较好的混匀效果，二者叠加形成的螺旋磁场因兼具二者的特点引起了人们极大的研究兴趣。Cramer等[6]研究了螺旋磁场对所驱动的湍流强度的影响，结果表明，在电磁力处于同一量级的情况下，旋转磁场在螺旋磁场中占据主导地位，金属液的流动行为与旋转磁场驱动下一致；张楠等[7]则以Sn-Pb合金为对象研究了螺旋磁场对其凝固偏析的影响，发现螺旋磁场在消除成分偏析和细化晶粒方面较旋转磁场更有优势；王勃等[8]研究了螺旋磁场对Al-7%Si合金凝固及成分偏析的影响，结果表明，螺旋磁场在一定程度上改善了合金的成分偏析，促进了CET过程，模式螺旋磁场的作用效果更优。本文以GH4169合金为对象，在其凝固过程中施加了不同形式的螺旋磁场进行对比研究，探讨了螺旋磁场对GH4169合金凝固和成分偏析的影响，为电磁场在提高合金性能方面的深入应用夯实基础。

1. 实验装置及方案

(a)俯视图 (b)主视图图1 线圈型螺旋磁场结构示意图

研究中开发了线圈型螺旋磁场体，该螺旋磁场体由第一组线圈和第二组线圈在空间同轴叠加组装而成；如图1(a)所示的第一组线圈垂直套在铁芯上，第一组线圈包括绕组A、B、C、D、E和F，其中A和D、B和E、C和F分别串联构成三相线圈，三相线圈的同名端采用星形连接并通三相正交流电，可在第一组三相线圈的心部形成旋转磁场。如图1(b)所示的第二组线圈相间水平环绕嵌在铁芯的芯齿槽内，包括绕组a、b、c、d、e和f六个绕组，与旋转磁场的产生方式相同，a和d、b和e、c和f分别串联构成三相线圈，三相线圈的同名端采用星形连接并通三相正交流电，可在其心部形成行波磁场。两组线圈同时通交流电即可叠加形成螺旋磁场。图2为线圈型模式螺旋磁场的发生装置，整体装置由搅拌器控制系统、电磁搅拌器本体和冷却系统三部分组成。图2(a)为整个装置的控制柜，图2(b)是线圈本体，实验在线圈中间的圆柱空心区域进行，图2(c)是冷却水箱，线圈在工作的时候发热，需要采用冷却水冷却。

(a)搅拌器控制系统：主要由控制柜、变频电源柜及低压配电柜等部分组成。系统内PLC采用SIEMENS系列产品，工控机采用台湾研华系列，低频电源变频变压部分采用进口的专用变频器件。

(b)电磁搅拌器：由外壳和感应器组成，感应器的六个线圈绕组可分别产生周向的旋转磁场、轴向的行波磁场及叠加而成的螺旋磁场，从而实现合金溶液在圆周方向的旋转运动和在轴向的上下运动，起到均匀材料内各项组分的均匀的作用。

(c)冷却系统。冷却系统主要由冷却水箱和循环泵组成。循环泵将水箱中的水泵入线圈内，然后从出水管回到水箱中完成循环。工作之前，应先打开水泵冷却后开线圈。

(a)搅拌器控制系统 (b)电磁搅拌器 (c)冷却水箱图2 线圈型模式螺旋磁场发生装置

本研究所采用的线圈型磁场装置产生磁场的强弱可通过频率及电流等控制参数调节，当运行方式设置为交替运行时，可产生运动方向周期性改变的模式螺旋磁场。螺旋磁场的运行参数见表1。

表1 螺旋磁场运行参数

实验选定商业高温镍基合金GH4169来研究模式磁场对凝固偏析的改善作用。GH4169合金是一种沉淀强化型镍基变形高温合金，熔点为1290 ℃，其化学成分见表2。实验中先将GH4169铸锭置于刚玉弧形坩埚中经高温电炉(型号BLMT-1800，洛阳博莱曼特试验电炉有限公司)熔化，而后将坩埚取出整体置于电磁搅拌器心部圆柱形区域中心位置进行凝固实验。

表2 镍基高温合金主要成分(wt%)

本文研究了未加磁场、施加单向螺旋磁场以及施加模式螺旋磁场三种磁场形式下镍基GH4169合金的凝固及偏析情况，如表3所示。待合金凝固过程完成后对铸锭脱模，将铸锭沿中心纵剖一分为二并铣平，用砂纸进行打磨抛光。一半铸锭取6个采样点采样进行溶质成分测定以研究成分偏析情况，图3为采样点的位置分布。另一半铸锭用盐酸与双氧水混合液(体积比H2O2∶HCL=1∶3)的腐蚀液进行金相腐蚀，用于观察铸锭的宏观组织。

表3 实验方案

图3 采样点位置示意图

2. 实验结果及讨论

2.1 螺旋磁场分布规律

利用TM-701型特斯拉计测量的搅拌器螺旋磁场分布情况如图4所示，H=0，r=0处为搅拌器圆柱体几何中心点。从4(a)图中可知，磁感应强度总体呈现中心强、两端弱的特点，在搅拌器中心轴线两端处衰减幅度较大，±200 mm范围内衰减幅度较小，可以认为轴向±200 mm范围内均为磁场有效作用区域，本实验中合金液中心点位于轴向+25 mm处，故整体合金液均位于该搅拌器磁场有效作用区域。从4(b)图中可知，磁感应强度总体呈现两端强、中心弱的特点，在中心处衰减幅度较小，故可以认为整个径向范围均为磁场有效作用区域。

图4 线圈型螺旋磁场磁场强度分布规律

2.2 凝固宏观组织

图5为不同磁场条件下GH4169合金宏观组织照片，可以看出，三次实验条件下凝固铸锭均出现了不同程度的气孔缺陷，这是因为实验条件下的铸锭中心部位液相最后凝固，体积收缩得不到液相补充而引起凝固收缩出现气孔。图5(a)中未施加磁场，凝固过程在自然对流条件下进行，铸锭断面上几乎全为粗大的柱状晶，图5(b)中施加单向螺旋磁场后，铸锭内部发生了明显的CET过程，等轴晶区域显著增大；图5(c)中施加模式螺旋磁场后，等轴晶在纵剖面上已占据绝对主导地位，且晶粒分布更为均匀细密，但在铸锭边缘出现了裂纹。

图5 不同磁场条件下GH4169合金宏观组织

从以上的结果可知，螺旋磁场的施加显著促进了CET过程，明显增大了等轴晶区域，这是因为磁场在凝固前沿液相区形成的强迫对流对枝晶臂起到冲刷作用，使得枝晶断裂，形成了大量细小的游离晶，进而促进了细密的等轴晶组织的产生，而模式螺旋磁场更加强化了这种对流作用，等轴晶晶粒更为细化。

凝固过程施加电磁搅拌，由电磁感应原理，合金液内部会相继产生感应电势ε和感应电流I，合金液会受到磁场与感应电流相互作用产生的洛伦兹力。同时，由于螺旋磁场是兼具旋转磁场和行波磁场的特点，合金液除了受到旋转平面的径向力和周向力外，还受到沿轴线上下方向的行波力，故螺旋磁场使合金液处于强烈的三维对流状态，而模式螺旋磁场则周期性地改变着这种三维流动，使得合金液内部形成稳定的往返流动，更有利于柱状晶的断裂，进而形成更为细密的等轴晶组织。由于模式螺旋磁场的参数直接决定了合金液的流动形态，从往返流动作用的时间来看，模式周期及磁场强度的选择是下一步研究的方向。

2.3 铸锭成分偏析

三种实验条件下，采样点的平均值分别为51.35%、52.68%、51.84%，均较接近于52.5%的名义值。不同磁场形式对GH4169合金轴向成分偏析的影响情况以1#、2#、3#采样点为例说明，其结果如图6所示。从图中可以看出，未施加磁场时铸锭的成分偏析非常严重，上部含量远小于中下部含量，施加螺旋磁场后，成分偏析明显减轻，且单向螺旋磁场的效果明显优于模式螺旋磁场，上部和中部镍含量差仅为0.35%，成分偏析几乎消除。

图6 不同磁场形式下Ni含量分布

表4 不同磁场形式下GH4169铸锭径向成分偏析情况

3. 结论

(1)本实验中的圆柱形螺旋磁场搅拌器工作空间中的下磁场分布呈现出轴向中心强两端弱，而径向相对均匀的特点，有效的磁场工作区域为轴向±200 mm、径向±80 mm。

(2)由于磁场在凝固前沿液相区形成的强迫对流冲刷枝晶臂使得枝晶断裂，形成了大量细小的游离晶，从而促进了细密的等轴晶组织的产生，螺旋磁场的施加促进了CET过程，显著增大了等轴晶区域，模式螺旋磁场的效果优于单向螺旋磁场，等轴晶晶粒更为细化。

(3)镍基GH4169合金铸锭截面的溶质浓度分布情况，在自然对流条件下，铸锭的成分偏析较为严重，施加螺旋磁场后铸锭的轴向成分偏析显著减轻。

(4)模式螺旋磁场能够促进CET过程，减轻铸锭的偏析程度。只有在较合理的模式参数控制下，才能更好地发挥模式磁场的作用。未来的研究工作应着重于电流强度、模式频率等控制参数与合金液流动速度及凝固速率之间的匹配关系。