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摘要：回顾了电磁约束成形技术的发展过程，通过分析圆形、椭圆形等不同横截面形状的纯铝、不锈钢以及高温合金等金属试样的电磁约束成形过程，从感应器结构、屏蔽罩插入深度、材料性状及抽拉速率等方面出发，详细论述了电磁约束成形定向凝固过程的技术特点，并阐述了电磁约束成形定向凝固技术的优缺点，指明了其今后的发展方向。 0 引言 人们对材料性能的要求越来越高，熔体电磁加T技术也越来越受到科研丁作者的重襁。目前，熔体电磁加工技术主要包括电磁悬浮熔炼、电磁铸造、冷坩埚感应熔炼技术等。作为一种新型的熔体电磁加工技术，电磁约束成形技术(Electromagnetic confinement and shaping，EMCS)集材料的加热熔化、无接触约束成形及组织定向凝固于一体，特别适用于高熔点、易氧化、高活性材料的无污染近终成形制备。与其他电磁加T技术相比，电磁约束成形技术结合了电磁铸造和电磁悬浮熔炼的优点，并利用液态金属冷却定向凝固技术，形成了无坩埚熔炼、成形及定向凝固的无污染区域熔化定向凝固技术，为材料的电磁加丁技术开辟了新的领域。沈军等在1996年首次提出电磁约束成形技术的原理及其理论模型，并利用单频电磁约束成形技术成功制备出圆柱状纯铝试样。随后，李金山等利用不锈钢对单频电磁约束成形技术做了进一步的探索研究。然而，单频电磁约束成形技术工艺参数的可调节范围相对较 窄，在金属的熔化过热及约束成形间较难实现很好的耦合。当试样尺寸较大或者抽拉速率较快时，单频电磁约束成形的加热熔化能力往往不够，很难将试样迅速熔化。要想将试样熔化，就必须增加电流，熔体表面受到的电磁力也会相应增强，使熔区形状变差，从而降低试样成形的稳定性。因此，在单频电磁约束成形的基础上，沈军 胡提出了双频电磁约束成形理论，李双明等、寇宏超等 、卢百平等先后对其进行了实验研究。利用双频电磁约束成形技术使得电磁约束成形过程中试样的感应熔化和约束成形相对较为独立，一定程度上克服了单频电磁成形定向凝固过程中T艺参数范围较窄的不足，成功制备出各种截面形状的铝合金、高温合金 、不锈钢E 等试样。此后，张丰收等 胡提出了软接触电磁成形技术，在吸收单频和双频电磁约束成形技术的同时，采用磁模及磁化套，使成形形状更精确。然而与水冷铜冷坩埚定向凝固技术类似，软接触电磁成形技术并没有完全消除磁模对熔体的污染。 本文详述了单频和双频电磁约束成形定向凝固技术的发展状况，总结了圆形、椭圆形等横截面形状的纯铝、不锈钢、高温合金等材料的电磁约束成形过程，并从感应器结构、屏蔽罩插入深度、材料性状及抽拉速率等方面 发，详细论述了电磁约束成形定向凝固过程的技术特点及其优缺点，并指出了其今后的发展方向。 1 基本原理及理论模型 电磁约束成形技术是利用Maxwall理论和电磁感应原理，在成形感应器中加载高频电流，使放入成形感应器中的金属试样感应熔化。与此同时，在感应磁场及感应电流的共同作用下，在熔体表面产生一个指向熔体内部的电磁压力。当作用在熔体上的电磁压力、熔体表面张力形成的压力和流体动力与静压力达到动态平衡，即满足式(1) 时，金属熔体可形成一定高度的熔区，并在设定的抽拉速度下稳定成形。fD为熔体密度，g为重力加速度，h为熔区高度，B为磁感应强度， 为磁导率， 为表面曲率， 为表面张力系数，为熔体流动速率。其中，左边为熔体静压力，右边第一项为电磁压力，第二项为表面张力形成的压力，第三项为流体运动所产生的力。一般情况下，由流体运动产生的力与其他两项相比可以忽略不计 。当试样横截面为圆形且直径较大时，由表面张力形成的压力很小，亦可忽略不计，此时式(1)的右端仅考虑电磁压力项对熔区高度的影响。而随着直径的减小，表面张力所起的作用将逐渐增大，此时必须考虑表面张力对熔区高度的影响。当试样横截面为矩形、椭圆形及大宽厚比形状时，其角部处表面张力的作用非常明显，熔体在表面张力的作用下不可避免地向曲率方向收缩，使角部趋向于圆弧状，此时，表面张力形成的压力对熔区形状的影响同样不可忽略u 。在弯月形的内凹面，其表面张力的作用垂直于表面向外，方向与外凸面相反，因此，在内凹面处表面张力对熔区的约束成形作用也与外凸面处的情况相反 。 2 电磁约束成形的影响因素 2．1 成形感应器 横截面形状作为成形感应器的关键参数之一，在横截面上对应产生的等磁感应强度线决定了电磁约束过程中熔区横截面的大致形状 。当成形感应器横截面为圆形时，对应产生的等磁感应强度线为圆形，其约束成形的熔区横截面也几乎为圆形；当成形感应器横截面为矩形时，等磁感应强度线为椭圆形_2 ，忽略表面张力的影响，其熔区的横截面形状也为椭圆形。如果要获得试样横截面角部近似为直角的试样，如近矩形或大宽厚比板状试样，则需使对应位置等磁感应线也近似为直角，此时可将成形感应器角部加工为特殊的圆弧状 ，然而由于熔体表面张力的作用，使得成形试样角部不可能形成理想的直角。沈军的研究表明，成形感应器内感应磁场的轴向分布首先取决于成形感应器的宽高比D／H(D为方形成形感应器内壁宽度或圆形成形感应器内壁直径，H为成形感应器高度)。D／H越小，产生的感应磁场越容易在峰值位置处出现平台，此时电磁压力也相应在该处出现平台，因而与熔体静压力的分布规律不同，影响了电磁约束成形的形状及稳定性，使得约束成形过程较难控制。D／H 较大时，磁场上峰面的磁感应强度迅速衰减，斜率变小，使得加热区域变小，无法约束成形足够高的熔区甚至使试样无法熔化。此外，D／H的取值与熔体本身的密度(即其静压力的分布规律)也有很大关系E” 。当D一定时，对于不同的材料，所选取的感应器高度H也应有所不同，以保证熔体静压力和电磁力达到很好的耦合效果，最终约束成形出理想的熔区形状。 另外，成形感应器倾角也对磁场轴向分布有重要的调整作用。当感应器倾角为O。时，磁感应强度峰值位置位于感应器中截面处，磁感应强度沿轴线方向对称分布，而且在感应器上端面处的变化比较剧烈，不利于与静压力的耦合成形。随着倾角的增加，磁感应强度峰值有所降低，位置逐渐下移，同时使得磁场上峰面磁感应强度的变化相对较缓慢，作用于熔区侧表面的电磁压力变化平缓，有利于侧表面保持相对竖直的理想形态、维持电磁成形过程中熔区的稳定性。因此，成形感应器倾角的大小[15,z8]取决于熔体静压力的分布情况，倾角越大，磁场上峰面的磁感应强度在单位长度上变化越快，越适合于约束比重较大的金属熔体。当倾角为5。l 时，成功制备出纯铝的电磁约束成形试样；当倾角为8 ol 时，成功制备出TiA1合金的电磁约束成形试样；当倾角为10。0时，成功制备高温合金及不锈钢的电磁约束成形试样。然而，当倾角进一步增大时，虽然磁感应强度峰值位置的变化相对较小，但是磁场强度迅速减小，不利于电磁成形过程中熔体形状的稳定性。 综上所述，在电磁约束成形技术中，成形感应器横截面形状、宽高比及其倾角共同决定了成形感应器内磁场的分布特征。其中，由横截面形状对应产生的等磁感应线与表面张本决定了成形感应器内沿轴向的磁场分布，由此而产生的电磁压力与熔体静压力、表面张力等一起作用决定了电磁约束成形过程中熔区的稳定性。 2．2 屏蔽罩插入深度 在电磁约束成形过程中，屏蔽罩有调整成形感应器中轴向磁场分布特征和峰值位置的作用_l J。屏蔽罩的插入可以使磁场下峰面迅速衰减，且变得更为平直，随着屏蔽罩插入成形感应器深度的增加，磁感应强度的峰值位置逐渐上移，同时最大值则有所下降。由于磁场下峰面的电磁压力分布与静压力分布规律完全相反，熔体极容易从此处塌漏，不利于电磁成形的稳定性。因此理想的磁场分布为磁感应强度的峰值位置正好处于或者稍低于固／液界面处，从而使得熔区下端静压力的最大值处对应的电磁压力也达到最大，此时，屏蔽罩对磁场的调整作用显得尤为重要。磁场下峰面的迅速衰减以及峰值位置的上移，使得加热区域上移，固液界面及熔体温度的峰值位置也相应上移，从而有利于电磁约束成形过程中温度场和电磁力的耦合。同时，屏蔽罩的加入避免了冷却液被过分加热，增加了温度梯度，有利于定向凝固的进行。然而，感应磁场峰值的降低及位置上移的同时也导致熔体表面受到的电磁压力相应衰减，因此需要增加一定的电流强度来达到约束成形所需的电磁压力。当屏蔽罩插入深度过大时，感应器内磁场强度衰减迅速，此时即使大幅度提高感应器内的电流强度，使试样加热熔化仍很困难。 2．3 预热感应器 在单频电磁约束的理论基础上，沈军等提出了双频电磁约束成形技术的概念并进行了相关的计算，李双明等、寇宏超等 、卢百平等先后进行了比较系统的实验研究。其原理是在基本不影响成形感应器中磁场分布的前提下，在其上方增加一个提前预热试样的预热感应器，从而使得金属熔体的熔化过热与约束成形相对较为独立，更好地实现高温合金及不锈钢等的电磁约束成形。双频电磁约束成形不仅克服了单频电磁约束成形过程中电磁场加热熔化固体材料与约束成形金属熔体两者之间的矛盾，而且可以充分发挥预热感应器的加热能力以及成形感应器的成形能力，使熔体维持一定的过热度，进而达到控制凝固组织的目的。在进行双频电磁约束成形时，不仅可以通过调节成形感应器及预热感应器的频率来调整磁场的位形，还可以通过设计不同形状和高度的感应圈来调整磁场的分布。研究发现，在不锈钢和高温合金的双频电磁约束过程中，预热感应器通入350kHz电流、成形感应器通入50kHz电流与预热 感应器通人350kHz电流、成形感应器通入200kHz电流相比成形更加稳定，控制更容易。由于成形感应器的主要作用是对熔体进行约束成形，而其截面形状主要取决于所要成形试样的截面形状，同时其磁场沿轴向的分布情况必须满足式(1)，因此，成形感应器必须符合相应的成形要求。预热感应器主要对试样起预热熔化作用，其形状一般为直筒状或者有一定的倾角。研究表明口 ，当预热感应器的功率恒定时，随着成形感应器功率的增加，熔体温度以及固／液界面处温度梯度会明显升高，但其温度场的峰值位置不会有明显变化；当成形感应器的功率恒定时，随着预热感应器功率的增加，在熔体温度和固／液界面温度梯度明显升高的同时，温度场的峰值位置也会不断升高。因此，通过增加预热感应器，可以较独立地调节熔体温度，使得熔体固／液界面上升，有利于电磁约束成形的控制，特别适合于大密度、高熔点合金电磁约束成形。双频电磁约束成形的稳定性也与两个感应器的相对位置有关 。如果两个感应器之间的距离太短，感应磁场由于互感而产生的影响比较明显，不利于熔区的稳定性。如果两个感应器之间的距离太长，当试样离开预热感应器后，由于辐射散热而损失大量热量，不利于试样的进一步熔化成形。因此，在不锈钢的双频电磁约束过程中，两个感应器之间的距离保持在25~30mm之间，此时两个线圈之间的互感系数很小，预热感应器对成形感应器磁场的影响可以忽略不计，同时进入成形感应器的试样温度不会因两个感应器之间的距离太大而明显下降，从而成功制备 宽厚比为4：1、直径为18mm的耐热不锈钢试样。 总之，在成形感应器上方增加预热感应器，并通过改变预热感应器的形状、通入两个感应器的电流频率、大小及其相对位置，可以充分发挥预热感应器的加热能力和成形感应器的成形能力，从而使得熔体的熔化过热与约束成形实现更好的耦合，有利于熔区的稳定成形。同时双频电磁约束成形使得温度梯度和抽拉速率的调节控制也更加独立，有利于通过改变凝固参数控制电磁约束成形试样的凝固组织。 3 其他因素对电磁约束成形的影响 3．1 熔体电流集肤层厚度 由电流集肤层厚度 一(Ⅱ伽)一“。(其中，／’为频率， 为磁导率， 为电导率)可知， 与材料的电磁学参数和交变电流频率有关，频率及电导率越大，电流集肤层越薄。当试样直径或者板厚a与电流集肤层厚度的比值a／a>2．2时，熔体内部轴线附近的电流相对很小，轴线附近方向相反的电流层相对较为独立，其相互重叠抵消的作用可以忽略不计，此时随着试样尺寸的增大，熔体表面的电磁力几乎不会发生变化；当a／~<2．2时，熔体内部轴线附近相反的电流层相互抵消严重，导致熔体内电流密度下降，电磁压力的损失较大，最终不足以约束成一定形状的熔体。因此，在电磁约束成形过程中，需要确保试样尺寸足够大(即a／6>2．2)，此时熔体表面的电磁压力为P ozB ／u，而与频率、电导率和试样尺寸无关，这也是保证电磁约束成形过程中试样熔化过热和约束成形稳定进行的前提。 3．2 有效热力比 热力比(Q。／P ，Qo为熔体任一高度处单位体积在单位时间内吸收的热量，P 为熔体表面单位面积上受到的磁压力)的概念首先由沈军等D~,ls3在研究纯铝试样单频及双频电磁约束成形的过程中提出，并进行了系统的计算。随后沈军、卢百平等 在此基础上进一步提 了有效热力比(h／P ，^为熔体的高度，P 为熔体表面的最大电磁压力)的概念。如果忽略表面张力对熔区形状的影响，只考虑熔区静压力与电磁力两者的耦合，有效热力比需满足h／P ≈I／(pg)，才能维持电磁成形过程中理想的熔区形状。如果h／P >1／(pg)，则熔区温度过高，熔区高度较高，熔区底部静压力超过电磁压力，致使熔体塌漏。如果h／P <1／( )，则熔区高度较低，电磁压力相对较大，致使熔体局部缩变，最终导致成形不良或者不能成形。由于考虑了感应器结构、屏蔽罩引入、冷却能力等因素引起的热量散失对电磁约束成形的影响，有效热力比能更真实地反映电磁约束成形过程中试样受到的有效加热份额与电磁压力之间的耦合关系。同时可以得知，在材料、试样尺寸和电源频率一定的条件下，通过调节感应器结构、屏蔽罩位置、成形感应器及预热感应器电流强度以及冷却液位置等参数，可以有效地调节有效热力比，使其达到良好的耦合效果，最终获得成形良好的金属试样。 3．3 抽拉速率 电磁约束过程中，感应器的加热效率和熔体的散热速率决定了上下两个固液界面的相对位置，而上下两个液／固界面的相对位置直接决定了熔区在感应器中的位置和静压力，从而影响金属熔体电磁成形过程的稳定性l3 。其中，感应器加热效率和熔体散热速率与试样的抽拉速率密切相关。由于感应加热的速率非常快，在实验条件下可以忽略速率变化对感应加热效率的影响。熔体的散热速率则主要取决于下部的冷却系统，其冷却能力等于冷却介质的冷却能力与冷却时间(与抽拉速率成反比)的乘积。由于电磁成形过程中试样直接与液态金属冷却液接触，冷却能力很强，使得试样上部的感应加热和下部的强制冷却共同作用建立了沿抽拉方向的单向传热条件，并且在下液／固界面处获得了很高的温度梯度，有利于电磁成形过程中定向凝固组织的形成。然而，由于真空下采用液态金属作冷却介质，冷却能力相对于非真空条件要差得多。这就使得抽拉速率不可能很快，但过慢也容易导致熔区高度增加，使作用于熔体表面的电磁压力和静压力吻合不好，影响成形稳定性。宋长江等的研究表明，在不锈钢的双频电磁约束成形中，当抽拉速率为0．5～1．5mm／min时，随着试样抽拉速率的提高，温度场峰值将不断增大且峰值位置不断下移。其原因在于，随着试样抽拉速率的提高，冷却系统的冷却时间不断缩短，导致冷却系统的散热能力减弱，此时，温度的峰值也会相应增大。进一步提高抽拉速率，熔体的高度将不会发生明显的变化，表明试样在稳定成形时熔体高度是趋于稳定的。卢百平等 。 的研究表明，在不锈钢的电磁约束成形过程中，当抽拉速率为20~,m／s时，熔区稳定性最好，成形与控制较其他抽拉速率下更容易；抽拉速率小于10／~m／s或者大于30t~m／s，都不利于电磁约束成形的稳定性。 3．4 熔体表面张力 在电磁铸造中，由于铸锭直径很大，表面张力项与液态金属静压力项及电磁压力项相比可忽略不计。同样，当电磁约束成形试样的截面形状简单、尺寸很大(如直径较大的圆形试样)时，表面张力也可以忽略不计，此时成形试样形状与感应器内同一高度上的等磁感应强度线的形状基本相同_1 。当成形试样直径较小或者横截面为椭圆形、弯月形及大宽厚比形状时，表面张力的作用就十分显著，使得成形试样形状与感应器内的等磁感应强度线的形状不可能完全相同。同时，由于曲率半径的存在，不可避免地存在导致熔体角部变形的表面张力，因此利用交变电磁场成形直角试样是不可能的 。另外，受熔体表面张力系数的影响，表面张力对熔区形状的影响也有所差异口 。在电磁约束成形纯铝试样时，若试样的直径小于10mm，熔体受到的表面张力与30ram高度的熔区产生的静压力以及对应的电磁压力相比不能忽略，而钢液表面张力的作用则要在其成形试样直径更小时才能显示出来。 4 电磁约束成形的优缺点及发展前景 电磁约束成形的最大特点是集加热、融化、无接触成形及组织定向凝固于一体，特别适合高熔点、易氧化、高活性特种合金的无污染近终成形制备。电磁约束成形过程是一个线圈加热能力与约束成形能力耦合作用的动态稳定过程，与成形感应器形状、屏蔽罩位置、抽拉速率等因素密切相关。然而，在电磁约束成形过程中，调节其中一个参数，其他的参数也会作相应的变化，使得熔区维持动态稳定的参数的可调节范围较窄，定向凝固过程中的温度梯度、抽拉速率等关键凝固参数的独立调节控制很难实现。双频电磁约束成形虽然解决了在凝固速率稍快时试样较难熔化的难题，且使得线圈加热能力与约束能力相对较为独立，但是其参数的可调节范围依然相对较窄，这也是电磁约束成形技术长期停留在控制成形阶段的主要原因。在前人对电磁约束成形技术的研究中，大部分工作都集中在成形稳定性方面，而关于组织控制方面的研究很少。尽管李双明等口 、卢百平等 ]对电磁约束成形试样的微观组织进行了初步观察，但到目前为止，利用电磁约束成形技术对试样微观组织进行控制的研究还尚未展开。另外，与一般定向凝固实验不同，在电磁约束成形过程中，熔区内部不可避免地会出现因强烈电磁搅拌而引起的对流，从而对凝固组织产生较大的影响。如何在较窄参数范围内有效调节电磁约束成形的参数，同时抑制电磁搅拌或者利用电磁搅拌实现溶质的均匀化，探究在电磁约束成形过程中不同参数下的组织控制规律，最终实现定向凝固组织的控制，还需要研究工作者做更多深入的研究与探索。 文/杜玉俊，沈 军，熊义龙，王 雷，傅恒志 http://www.wenhaiw.com |
