外加电场对合金凝固组织的影响_刘谨

··图１电流处理对Ｐｂ－１５％Ｓｂ－７％Ｓｎ合金凝固组织的影响Ｆｉｇ．１ＥｆｆｅｃｔｏｆａｐｐｌｉｅｄｃｕｒｒｅｎｔｏｎＰｂ－１５％Ｓｂ－７％Ｓｎａｌｌｏｙｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ（ａ）未经电流处理１００×（ｂ）经过电流处理１００×随着科学技术的高速发展，材料所要求的高质量以及低成本成了材料先进制备技术理所应当解决的问题，传统的材料已越来越不能满足社会发展的需要，传统的细晶方法如变质处理、合金化处理等所带来的偏析、衰退以及杂质污染等问题也在一定程度上阻碍了对材料高质量的要求。

外加电场处理技术是一种新型的金属材料处理技术，国内外近期的研究表明，外加电场处理技术可以改善金属的综合力学性能，并能很好地克服传统细晶方法所带来的一系列不良影响，具有很好的潜在应用前景，现已越来越多的受到研究者的关注。

１外加电场对低熔点合金凝固组织的影响１９８４年，印度学者Ａ．Ｋ．Ｍｉｓｒａ［１］在低熔点过共晶Ｐｂ－１５％Ｓｂ－７％Ｓｎ三元合金凝固过程中施加直流电流，电流密度为３０￣４０ｍＡ／ｃｍ２，电压约为３０Ｖ，结果发现凝固组织明显细化并且第二相组织分布均匀，如图１所示。

１９８５年，Ｍ．Ｎａｋａｄａ等［２］首先使用脉冲电流作用于Ｓｎ－Ｐｂ合金的凝固过程。

发现凝固组织不再出现枝状晶而成球状晶。

１９９４年，李建明等［３］对Ｐｂ－６０％Ｓｎ合金的凝固过程进行脉冲处理，得到了同样的结果，并且发现低电压、大电容的脉冲电流可使初生相枝晶破碎，变成粒状晶；高电压、小电容的脉冲电流可使共晶片××××××××××××××××专题综述刘谨，黎振华，岑启宏，蒋业华（昆明理工大学材料科学与工程学院，云南昆明650093）摘要：综述了外加电场对合金凝固组织影响的研究现状，分析总结了外加电场对合金凝固过程和凝固组织的影响机理。

在此基础上，讨论了目前外加电场影响合金凝固研究中存在的问题，初步探讨了这一方法的研究方向和应用前景。

关键词：电场；凝固组织；晶粒细化；机理中图分类号：ＴＧ２４４＋．３文献标识码：Ａ文章编号：１００１-４９７７（２０１２）０８-０８７７-０５ＬＩＵＪｉｎ，ＬＩＺｈｅｎ－ｈｕａ，ＣＥＮＱｉ－ｈｏｎｇ，ＪＩＡＮＧＹｅ－ｈｕａ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＫｕｎｍｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ６５００９３，Ｙｕｎｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）外加电场对合金凝固组织的影响Effect of External Electric Field on Solidification Structure of Alloy基金项目：国家自然科学基金（５０７０１０２０，５１１７１０７３）；云南省中青年学术技术带头人后备人才培养项目（２００８ＰＹ０１１，２００９ＣＩ０２２）。

收稿日期：２０１２-０５-０７。

作者简介：刘谨（１９８９-），男，硕士生，主要从事电脉冲改善凝固组织研究。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｊｉｎ１９８９０２１４＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ通讯作者：黎振华（１９７６-），男，教授，博导。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｚｈｋｕｓｔ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｅｘｔｅｒｎａｌｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｏｎｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆａｌｌｏｙｗａｓｒｅｖｉｅｗｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｅｘｔｅｒｎａｌｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｏｎｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅａｌｌｏｙｓｗｅｒｅｃｏｎｃｌｕｄｅｄ．Ｏｎｔｈｉｓｂａｓｉｓ，ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｅｘｉｓｔｉｎｇｉｎｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈ，ｆｕｒｔｈｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓａｎｄｐｏｔｅｎｔｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄ；ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｇｒａｉｎｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ；ｍｅｃｈａｎｉｓｍＡｕｇ．２０１２Ｖｏｌ．６１Ｎｏ．８铸造ＦＯＵＮＤＲＹ８７７··间距减小，共晶片沿电极方向生长，同时还发现共晶晶粒沿电极方向被拉长。

Ｌ．Ｎ．Ｂｒｕｓｈ等［４］则在对Ｓｎ－０．９％Ｃｕ共晶合金定向凝固过程的研究中发现了脉冲电流使凝固前沿柱状共晶层片发生紊乱，偏离其生长方向。

在采用一定电流值的稳定生长条件下，电迁移效应对层片间距没有明显的影响。

Ｆ．Ｌｉ等人［５］研究了脉冲电流对ＭｎＢｉ共晶合金定向凝固组织的影响，发现柱状晶间距几乎随着电流密度的增加而线性下降，且随着电流密度增大，ＭｎＢｉ共晶柱状组织更趋向于圆整。

翟启杰、廖希亮等［６］研究了脉冲电流处理对纯铝组织的影响，他们在纯铝凝固中的不同时间阶段施加电脉冲，最后得到的结果表明：在液相阶段施加电脉冲基本上无细化作用，在晶体长大阶段施加的作用很小，而在晶粒形核阶段施加电脉冲则可显著细化组织。

经过加入金属隔离网的实验证明，脉冲的细化机理是促进型壁晶粒游离，并且经过不同铸型温度试验，发现铸型预热可加强脉冲电流的细化作用。

张春祥等［７］对纯硅熔体试样用频率分别为３Ｈｚ、６Ｈｚ、１０Ｈｚ的脉冲电流进行了处理，发现经过脉冲电流处理后的纯硅，组织及晶粒变得粗大，晶界也变得越来越不明显；在利用扫描电子显微镜观察试样断口形貌后，发现经脉冲电流处理后使纯硅的脆性增强；由测得的试样的电阻率表明，经脉冲电流处理的试样电阻率比未经脉冲电流处理的试样电阻率显著降低，并且随着脉冲电流频率的增大，电阻率不断减小。

杨群英等［８］在轧辊中引入脉冲电流，研究了不同的脉冲电流对铸轧Ａｌ－Ｍｇ合金组织的影响。

结果表明：施加不同脉冲电流后铸轧出的薄带显微组织变化显著，合适的电脉冲强度处理使晶粒明显细化。

与没有施加电脉冲的组织比较，成分偏析现象得到改善，内部组织差异明显减轻。

并且电流密度处在一个合适的数值时，其显微组织表现为近球形颗粒且分布均匀。

Ｎ．Ｋａｒｕｎａｋａｒａｎ等［９］比较了在恒定电流和脉冲电流条件下，气体保护焊铝合金接头的温度分布和焊缝外形，研究了脉冲电流对铝合金接头的拉伸性能、硬度分布、微观组织特征和残余应力分布的影响。

结果表明，脉冲电流可以使焊缝晶粒细化，提高焊缝性能。

２外加电场对钢铁材料凝固组织的影响１９９９年，唐勇等［１０］把电脉冲引入到了高碳钢中，对处于熔点以上的高碳钢液施加一定时间的电脉冲，观察了不同处理时间后钢样的凝固组织，发现电脉冲能够缩小钢锭的柱状晶区域，减缓柱状晶的生长趋势，并指出电脉冲之所以能改善钢液凝固组织是因为它对形核过程有积极影响。

张西锋等［１１］对ＨＲＢ３３５螺纹钢在凝固过程中进行电脉冲处理。

试验发现，经过电脉冲处理后，ＨＲＢ３３５螺纹钢的凝固组织得到了明显的改善，晶粒细化，柱状晶减少，等轴晶比例增加。

周荣锋等［１２］在过共晶高铬铸铁试样中通以强度为２０００Ａ、频率为２０Ｈｚ的脉冲电流，并对碳化物的形态、尺寸、种类进行分析研究。

结果表明，在脉冲电流作用下，高铬铸铁中碳化物尺寸显著减小，一部分杆状初生碳化物完全分解成小片状，一部分初生碳化物局部溶解成２￣３μｍ细小球状和絮状碳化物。

剩余液相共晶反应获得的共晶团较常规铸态时的更加细密。

脉冲电流作用下铸铁中碳化物不再为单一的Ｍ７Ｃ３型，同时出现了ＭＣ型、Ｍ７Ｃ０．４５型、Ｍ２３Ｃ６型等新类型的碳化物。

王文波等［１３］对取向硅钢熔融态钢液进行电脉冲处理，对比研究了不同脉冲参数的作用效果后发现，电脉冲对钢锭晶粒组织具有明显的细化作用，凝固组织等轴晶比例大幅上升。

在脉冲电容、频率、处理时间和电压中，影响等轴晶比例的最显著性因素为脉冲频率，并且随着输入能量的增大，等轴晶先增大后减小，脉冲输入能量为某值时，等轴晶率最大。

张建华等［１４］针对ＥＡ４Ｔ钢车轴淬火过程中心部会析出大量大尺寸先共析铁素体的问题，采用脉冲电流辅助加热方法，研究冷却过程中脉冲电流与先共析铁素体析出的关系。

结果表明，由于脉冲电流辅助加热的热效应，推迟了相变过程中先共析铁素体在奥氏体晶界处的析出。

与未通脉冲电流的试样相比，先共析铁素体的含量降低，尺寸减小，试样的强度、伸长率及冲击值有所提高。

Ｉ．Ｍ．Ｍａｌ＇ｔｓｅｖ等［１５］运用快速脉冲电流在一个高电流密度（J＝１０８￣１０９Ａ／ｍ２）下，对３０ＫｈＧＳＡ合金钢进行处理，然后分析其淬火后的组织和性能。

发现在快速电流处理的短时间５￣６ｓ内，３０ＫｈＧＳＡ钢可能会出现奥氏体化，并且在快速电流处理后，晶粒尺寸会减小。

３存在的问题３．１外加电场影响合金凝固组织的机理尚不明确外加电场会影响合金凝固过程进而改变凝固组织已为国内外大量研究所证实。

研究者在大量试验结果的基础上，分别从外加电场导致合金中出现电磁力效应、电迁移效应、Ｊｏｕｌｅ热效应、Ｐｅｌｔｉｅｒ热效应、趋肤效应等影响机理，影响合金的形核、长大过程等方面进行了探讨，但目前为止，还没有形成系统一致的认识。

３．１．１影响合金凝固形核王建中、曹丽云［１６-１７］等通过脉冲电流作用于Ａｌ－５．０％Ｃｕ合金和Ａｌ－Ｓｉ合金的研究发现，在金属的液相线上方对其进行脉冲电流处理，其凝固组织发生了明显的细化。

这种方法被称为电脉冲孕育处理，他们认为电脉冲孕育处理能够细化金属凝固组织的机理是ＦＯＵＮＤＲＹＡｕｇ．２０１２Ｖｏｌ．６１Ｎｏ．８８７８··脉冲电流对于浇注前液态金属的孕育作用。

由于液态金属中存在着相对稳定的近程原子集团或分子集团，即结构不同于固态金属结构且满足幻数特征的团簇，也就是晶胚，在熔点温度以上，稳定存在的晶胚主要以传统所说的临界晶胚为主，当外加电场对其作用时，其晶胚外电层进行反复的畸变和松弛。

在这个过程中，液态金属原子被结合到晶胚中，最终使不稳定的小尺寸晶胚转变为稳定的大尺寸晶胚，从而促进了大量晶核的形成，细化了金属凝固组织。

秦荣山［１８］等从经典的金属液态结构理论出发，讨论了电流对金属液态结构的影响。

认为当金属液温度降至某值时，施加一定强度的电脉冲实际是引入了电场，这种电场会对因静电相吸的原子团簇的聚散产生影响。

电脉冲能使金属液中具有一定尺寸的原子团簇数目大大增加。

这些原子团簇聚合的几率要大大高于离散的几率，因而再进一步降温时，就会以这些原子团簇为中心，形成晶胚，最后成为形核点。