电磁场在材料科学中的应用_代威

电磁场在材料科学中的应用

代　威1

　傅正义1　卢北平2　张丰收2

(1.武汉理工大学;2.西北工业大学)

摘　要:　由于电磁场具有无接触直接传递热能和动能的材料,可选择性大,能提高效率、降低成本、节约能源等特点,电磁场在材料科学中的应用已成为材料科学中重要的研究方向。介绍了电磁场在材料科学中的应用情况,首次提出了电磁场助烧结导电陶瓷复合材料的新方法,并以此方法制备了TiB2/Al复合材料;烧结后样品导电性能有较大提高。

关键词:　电磁场;　材料学;　电磁场助烧结

磁学有2个基本命题:磁及磁现象的根源是电流/电荷的运动;所有的物质都是磁性体。电磁感应是电磁学的基本原理,电磁场对材料主要有2种效应:热效应和非热效应。由于电磁场具有许多电热技术无法比拟的优点,例如,可在无接触情况下直接传递热能和动能给材料、能极大减少杂质、可选择性大、能大大提高效率、显著降低成本、节约能源、保护环境等,近年来,电磁场在材料,特别是金属材料的加工、合成与制备中得到越来越广泛的应用。因为熔融金属是电的良导体,在电磁场作用下,金属熔体内产生感应电流和电磁力,利用感应电流的焦耳热和电磁力可对熔融金属进行加热、非接触性搅拌、传输和形状控制。随着人们对电磁场功能认识的不断加深和超电导强磁场的出现,电磁场应用的范围也将不断扩大,它已从开始的改进传统的工艺过程发展成为开发新材料、新工艺的重要源泉。

在材料科学中应用的电磁场主要有:(1)由传统线圈产生的普通强度的直流磁场:主要用于控制液体金属的流动。例如,作为电磁制动抑制连铸结晶器内钢液的流动、抑制中间包内钢液的紊流等;作为电磁“坝”用于薄带连铸的侧封等。(2)由超导线圈产生的高强度的直流磁场:主要用于控制液体金属的流动。例如,作为电磁制动抑制连铸、特别是高速连铸时结晶器内钢液的流动;控制液体金属的形核、生长等凝固过程。(3)频率从几赫兹到数十兆赫兹的交流磁场:交流磁场是材料加工过程中应用最广泛的一种电磁场,通过电磁场频率的选择,将其应用于感应加热、电磁搅拌、电磁加压、电磁传输等工艺过程。

(4)其他特殊磁场:如移动磁场、脉冲磁场、变幅磁场等。主要用于高效、节能等新技术工艺的开发。上述各种磁场不仅可以单独使用,也可结合使用。

1　电磁场在金属材料领域的应用

1.1　电磁成形

电磁成形是将强脉冲电磁力作用于金属毛坯使其产生塑性变形的一种高能率成形的新工艺。它首先把电能储存在高压电容器中,然后向加工线圈瞬间放电(微秒级),线圈所产生的高强度磁场使工件受力从而产生变形(变形速度可达每秒几百米)。

电磁成形的主要方式有环形线圈向内成形、环形线圈向外胀型、平板线向一侧成形、工件的局部成形、电液成形等。电磁成形适于加工铜或铝等强度低、导电性高的材料,目前主要应用于航空航天工业和一般工业中的铝合金等高导电性的材料加工。随着电磁成形设备的不断改进和提高,某些较薄的铁合金件也可能用电磁成形工艺来加工。

1.2　电磁铸造

电磁铸造是利用感应线圈代替传统的结晶器,依靠电磁力与金属熔体的表面张力约束熔体成形的无模连续铸造技术。

电磁铸造具有以下优点:(1)由于金属熔体在与铸模几乎无任何物理接触、保持自由表面的状态下逐渐凝固,铸坯的表面品质得到大大改善,成材率明显提高(模铸中切除量达15%～20%);(2)由于未凝固的液态金属受到一定的电磁搅拌且冷却强度大,使得铸件内部组织均匀,结晶晶粒细小,成分偏析小,所得材料力学性能较好;(3)改善工作条件。冷却水利用率高,无须使用润滑油;(4)提高生产率。铸速可增加20%～30%;(5)可铸造复杂形状的铸件

。

图1　电磁铸造原理示意图

电磁铸造主要有垂直铸造和水平铸造2种形

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式,垂直电磁铸造技术应用较多,其原理见图1。

当感应器中通入交变电流时,在产生交变磁场H 的同时,在铸锭表面产生与线圈电流反方向的涡流J ,该涡流与磁场相互作用产生指向铸锭中心电磁压力F ,从侧面约束金属熔体并保持柱面。在感应器下方喷水冷却,液态金属与感应器无任何物理接触,保持自由表面状态向下抽拉并逐渐凝固。

西北工业大学傅恒志等人在研究超高温度梯度定向凝固的过程中,吸收无坩埚熔炼和电磁铸造技术的研究成果,提出了旨在通过提高定向凝固过程的温度梯度和进行连续生产来实现合金组织超细化完全无接触电磁约束成形技术,该法尤其适用于中、小尺寸高熔点、高密度、高活性材料制备成形(见图2)。此技术的基本原理与电磁铸造技术相同,其主要特点是在大气或真空环境中固态合金坯料的加热熔化与金属熔体无接触成形同步进行。由于真空条件下冷却强度小,将屏蔽罩置于感应器和冷却器之间可以较大幅度地调整感应器对金属的加热作用和对金属熔体侧表面的约束作用,使之达到动态平衡。通过设计不同的感应线圈结构,分析不同条件下温度场的特性及其与电磁场耦合的效应,不仅可以成形圆形、矩形简单截面的样件,还可以获得较复杂截面的近终成形样件。通过改进冷却方式,调整电磁场的作用方式,能分别获得细小的等轴晶和柱状晶组织。现已在实验室成功获得了表面品质优良的多种截面形状(圆、扁矩、椭圆、弯月面)的铝合金样件和圆形、椭圆形截面的耐热不锈钢样件

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图2　无接触电磁约束成形技术示意图

1.3　电磁搅拌

电磁搅拌技术是利用磁场在液态金属中产生切向的电磁力,驱动液态金属产生旋转运动,实现对液态金属的无接触搅拌的搅拌技术。

在电磁搅拌引起的强烈混和对流作用下,熔体的动态凝固过程不同于常规铸造时的静态凝固过程。混和对流作用改变了熔体中的传热和传质过程,从而决定了凝固组织。晶粒漂移作用极大地增大了非均匀形核率,从而细化晶粒;混和抑制作用则改变了晶粒生长形态,使晶粒在各个方向上可以较为均匀地长大,具有规则圆滑的形貌,成为非枝晶组织。1.4　电磁净化

电磁净化是利用非金属夹杂物与金属液之间导电性的巨大差异,用电磁场实现二者分离的净化方法。电磁净化技术有以下特点:(1)能快速分离密度与金属非常接近因而靠上浮方法很难去除的微细非金属夹杂物(如固体颗粒、液态夹杂和气泡等)。(2)电磁净化可控性强,与金属熔体无接触,有利于金属纯化。(3)电磁净化的过滤密度远大于其它过滤技术(如泡沫陶瓷过滤技术),它甚至能对钢中的约2μm 的夹杂物产生显著作用。1.5　电磁焊接

电磁焊接是利用电容器组瞬间放电,流过感应线圈C 的大电流产生的电磁能作为焊接能源而进行焊接的技术。

高速撞击使材料表面产生瞬时剧烈变形(特别是当以一定角度撞击时),产生高温甚至熔化,使两块材料焊合起来或通过扩散连接起来,从而实现材料的焊接。被焊表面由高速碰撞产生的金属射流来清理,两表面的紧密接触由强大的电磁压力来实现。1.6　电磁加热

电磁感应加热是一种利用电磁感应原理和感应电流通过导体产生的热效应,使工件快速加热的方法。感应加热广泛应用于电子管的制造、等离子加热、金属的熔炼、金属工件的加热、以及金属表面的热处理等领域。

电磁感应加热避免了一般加热装置在热交换或热辐射过程中的热能损失,所以效率可达到80%以上。由于电磁感应加热把电能直接转变为热能,故加热速度极高,高频感应加热速度可达到每秒几十度甚至几百度。1.7　电磁细化

电磁细化是利用金属和电磁场的相互作用,在凝固过程中给金属熔体施加电磁场,使之振荡,从而细化金属的凝固组织的一种新兴的细化金属凝固组织的技术。

电磁细化具有无污染、操作简便等优点。其主要分为2种方式:一是让电流通过凝固中的金属(即电流处理),二是让金属熔体在磁场中凝固(即磁场处理)。

訾炳涛等人提出了用强脉冲磁场细化金属凝固组织的新工艺。在强脉冲磁场作用下,磁压强引起的熔体振荡导致了凝固组织的细化。强脉冲电流可显著细化其凝固组织。它使熔体在凝固中受到很大的收缩力和冲击波,反复地被压缩和运动,造成树枝晶被碎断成小块,提高形核率,从而凝固组织得到细化和改善。施加的强脉冲磁场或电流的强度愈强,细化效果愈显著。

2　电磁场在非金属材料领域的应用

2.1　电磁复合铸造

电磁复合铸造是在普通连续铸造基础上,将结晶器改为无磁薄壁铸型,外侧施以电磁场的复合材料铸造新工艺。

其特点是利用电磁场的搅拌作用,使原本并排生长的共晶相产生宏观尺寸的分离;其中领先生长

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