对优化结构进行研究.PDF

/science-lab/research-for-the-optimal- structure/ 对优化结构进行研究 磁场优化金属合金 Sven Eckert 博士 1 Anja Schué, Dipl. oec.-troph.2 1Helmholtz Centre Dresden-Rossendorf, Germany 2 徕卡显微系统 为查看液体如何流动，同时不借助直接 加热或触摸的手段，别无他法，你就只 能观察生鸡蛋在微波炉中爆炸了。电磁 力甚至可以在超过 1000°C 的温度下 融化金属。据德国 Dresden- Rossendorf 研究中心的磁动流体力学 研究小组的研究发现，导电液体和磁场 之间这些复杂的相互作用，用于控制液 态金属合金的流动和固化过程。这项研 究的目标是为铸造厂优化生产工艺。为 了分析金属的微观结构，科学家们使用 了一种自动化系统，该系统包含一台高 端显微镜搭配一款 Power Mosaic 图像记录软件，从而以高分辨率单帧扫描样 品的较大表面，并将这些单幅图像拼接成一幅精确的整体图像，以便进行定量 分析。 采用磁场对材料加工过程中的技术进行优化 汽车和航空业等行业的特殊用途部件是由特殊合金制成的，必须始终满足不断 提高的质量标准要求。在厚度方面提出了更薄的要求，例如，更轻的铸件。有 时候，这些部件必须兼具更精密和更大体积的特点，同时，还必须承受不断增 加的负荷。合金的稳定性和负荷能力主要取决于它的微观结构。金属合金固化 期间的磁场流决定了熔体中热量和物质的传输，从而确定成核以及晶粒生长现 象。因此，要获得理想、均匀细晶粒的微观结构，需要对铸件进行受控固化。 德国科研人员联盟 (DFG) 已经在德累斯顿工业大学、德累斯顿-罗森多夫研究 中心、德累斯顿的莱布尼兹固体材料研究所以及弗莱贝格工业大学成立了 “冶 金、晶体生长和电化学的电磁流控制”联合研究中心，该研究中心的宗旨是研 究专门的磁场，用于优化材料加工中的技术。这项研究的潜在应用领域是巨大 的。几乎所有工业金属都是从金属熔体中提炼的。在这里，科学家们还运用了 电磁搅拌的两项优势，即可控性和无接触性，以便研究流结构对于金属合金固 化过程的影响。 图 1：试验设置示意图 最优无接触搅拌 FZD 与德累斯顿工业大学的科学家们携手合作，正在共同完成一个下级项目，在 该项目中，他们采用处于旋转磁场 (RMF) 影响下的铅-锡和硅铝合金执行固化 试验（图 1 展示了设置示意图）。本项目旨在获得带细晶粒各向同性结构的材 料 （带有近球形晶体），亦称作 “滴晶”。通常情况下，很多合金的形态主要受 到柱状树枝晶的影响。由于以滴晶形式固化的材料所具备的机械特性明显较优， 因此，在熔浴中采用磁性驱动流的方式能够阻止滴晶的形成。在充分研究 RMF 流的基础上，FZD 的科学家们在受控固化过程中检测了复杂的物理现象，从而为 铸造应用领域打造最优搅拌策略 [4 –6]。 德累斯顿工业大学在下级项目中执行的数值模拟，提供了固化期间有关 RMF 诱 导流结构的具体细节。通过分析固化期间流结构及其对熔体中热量和质量传递的 影响而获得的基本研究结果，可以直接应用于弗莱贝格工业大学铸造研究所的另 外一个下级项目中，也可以用于镁铝合金的实际铸造之中。 图 2：Sn-15M.%Pb 合金定向固化（不带磁场）的光学显微镜图像 调制磁场 本实验展示，在既有恒定冷却条件下，鲕状结构体积的比例直接取决于电磁驱 动流的类型和密度，并受到磁场参数定义设定值的制约。例如，经过电磁搅拌 后，可以在微观结构中检测出明显的晶粒细化现象（图 2 和 3）。但同时，也 能观察到不良流特定隔离现象。因此，德累斯顿的科学家们正在寻找一种特定 的流型，以便产生细粒鲕状结构，但不会产生任何相组分隔离现象。 数值模拟获得的研究结果显示，磁场振幅的受控调制可能产生适当的流型，其 能够明显降低隔离的程度。上述研究结果作为研发思路的基础，用于优化磁场 参数振幅与固化试验中检测频率之间的时间函数。 目前，该方法已经首次取得 了较大成功 [1, 2]。 为更好地了解固化层前面的流场与固化结构特征之间的关系，FZD 对多普勒超 声技术进行了进一步研究，以便应用于金属熔体领域。使用该项技术，在液相 状态下的固化期间，可以首次对流速进行测量 [7]。 图 3：受旋转磁场影响的 Sn-15M.%Pb 合金定向固化的光学显微镜图像。 图 4：定向固化 Al-7M.%Si 合金的照片：不带磁场的下段区域固化导致柱状晶生长。接通时间调制磁场 会导致