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液态金属电磁约束成形定向凝固
过程中的频率效应。
张 军 李金山 李双明 李建国 傅恒志
西北工业大学凝固技术国家重点实验室 西安 710072
摘要 电磁约束成形定向凝固技术是一种新近发展的凝固技术。其基本原理是在电磁场的作用下,在利用
焦耳热熔化金属到一定的过热度的同时,利用电磁力将液态金属约束成形为所需形状。本文以电磁流体力、
学(MHD)理论为出发点,研究电磁场的频率对电磁约束成形定向凝固过程的影响,揭示焦耳热、电磁力与
频率的关系。研究结果表明,在相同磁场强度的条件下,液态金属表面电磁体积力的时间平均值近似地正
比于电磁场频率,焦耳体积发热速率则近似地正比于电磁场频率的平方。随着频率的增大,试样表面电磁
搅拌加剧,液态金属约束成形的稳定性和表面质量降低。电磁场的频率效应还与试样的尺寸和电导率有关.
不同的试样,电磁约束成形的最佳频率范围不同。试样越大,频率应该越低;试样电导率越大,频率可以
越低。中小尺寸钢试样的最佳频率范围为几十到几百千赫。采用不同的铝、铜和不锈钢试样,在2.5^400kHz
范围内所进行的电磁约束成形定向凝固实验研究表明,实验结果与理论分析相吻合,这就为进一步开展多
频率组合电磁约束成形定向凝固技术的研究奠定了坚实的基础.
关键词 频率 电磁约束成形 定向凝固 电磁力 焦耳热
1 引 言
迄今为止,定向及单晶叶片或铸件是在熔模精铸型壳中凝固成形的。粗厚、导热性能差
的陶瓷模壳严重降低熔体温度梯度及凝固速度。为了保证得到超高Ga度梯度及超细组织,提
出了甩掉铸型采用电磁约束成形制造铸件的技术方案。电磁约束成形技术是利用电磁场作用
于铸件熔体的电磁力约束熔体形状,获得特定形状铸件的技术。该打术是将超高温度梯度定
向凝固(ZMLMC)与电磁约束成形相结合,构成超高梯度电磁约束成形并具有超高冷却能力
的定向及单晶技术,以获得无(少)偏析、组织超细化、高精确取向、形状复杂的高温合金、
金属间化合物及钻、钦等难熔或活泼金属零件及板带等近终形坯件,fii究成果可迅速工程化
并直接用于高性能航空发动机涡轮或导向叶片及异性零件的近终形连铸等。
本文以电磁流体力学(MHD)理论为出发点,研究电磁场的频率3}}}电磁约束成形定向A;
固过程的影响,揭示焦耳热、电磁力与频率的关系,为进一步开展多频率组合电磁约束成形
定向凝固技术的研究奠定理论基础。
2 基 本 理 论
在柱坐标系((r,Oz)中,假定感应线圈在置身其内的负载表面施加一,、沿 :方向平行振动
的高频电磁场:
H(r,6,z)二(O,O,H(r,t)) j 1 (
其中, 从(r,t)=h;(r)exp(hm) ) 2 (
根据电磁流体力学理论11[.z31,可知:
air/at=,w2H+vx伊xH) (3)
r/=l/(op)为磁扩散系数,v为金属熔体的流动速度。对于一般的金属 磁雷诺数较小,
(3)式右边第二项对流项与第一项扩散项相比,可忽略不计,于是:
. 国家 自然科学基助项 目
501
.
勺
.
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