脈沖磁致振蕩作用下Ga-In-Sn液態(tài)合金中熔體流場的數(shù)值模擬

靳平霞 徐智帥 徐燕祎 張云虎 鄭紅星 翟啟杰

(上海大學先進凝固技術(shù)中心，上海 200044)

高品質(zhì)合金制備通常需要經(jīng)過冶煉、凝固、熱處理等多個環(huán)節(jié)，其中凝固過程控制是影響合金質(zhì)量最為重要的步驟之一[1]。外加物理場手段，如機械振動[2]、電磁凝固[3]、脈沖磁致振蕩凝固[4-6]等，都可以細化晶粒組織，有效改善溶質(zhì)偏析，其中脈沖磁致振蕩凝固技術(shù)[7-8]在鋼鐵及鋁合金中的應(yīng)用效果顯著，但其在功能類合金中應(yīng)用的相關(guān)研究和報道較少。功能類合金制備多采用模鑄法，而目前對于脈沖磁致振蕩作用下模鑄凝固過程中合金熔體的物理場的研究相對較少。研究者們大多采用數(shù)值模擬的方法研究合金熔體內(nèi)部電磁場、流場、溫度場及溶質(zhì)成分的分布規(guī)律。如訾炳濤等[9-10]基于有限元法研究發(fā)現(xiàn)，脈沖磁場作用下金屬熔體的流場具有上下、里外分布不對稱和總體分布不均的特點，且該趨勢隨著脈沖磁場強度的增大而加劇。Wang等[11]采用有限元軟件對鎂合金熔體的脈沖磁場和流場進行耦合發(fā)現(xiàn)，脈沖磁場通過強化熔體對流效應(yīng)促進了枝晶臂的折斷和重熔，達到細化晶粒的目的。馬小平等[12]針對高溫合金物理場的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，徑向電磁力加速了熔體的振動，振動的傳播和疊加導(dǎo)致了強壓力波的形成。程譽鋒[13]基于有限元數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，脈沖磁致振蕩下電磁力主要集中于型壁液面處，起促進熔體形核的作用。本文基于液態(tài)Ga-In-Sn合金，結(jié)合Comsol多物理場數(shù)值模擬及熔體流速物理試驗兩種方法，研究了模鑄凝固條件下，脈沖磁致振蕩線圈與合金熔體高度方向的相對位置變化對熔體內(nèi)部流場的影響。

1 超聲多普勒測速試驗方法與裝置

采用超聲多普勒測速儀(DOP4000)(見圖1)測量Ga-In-Sn熔體的流速[14-15]，亞克力玻璃模具內(nèi)徑75 mm，內(nèi)部熔體高度設(shè)定為200 mm。將8 MHz多普勒探頭傳感器固定于圓柱形模具底部中心。脈沖磁致振蕩線圈由水冷銅管制成，可上下移動調(diào)整與熔體高度方向上的相對位置。脈沖磁致振蕩波形以圖2所示分段函數(shù)形式輸入，采用的電磁參數(shù)分別為IP=600iA，f=5jHz，tP=1kms，其中i、j、k為脈沖設(shè)備系數(shù)。

圖2 脈沖電流輸入函數(shù)

2 有限元網(wǎng)格劃分

采用Comsol有限元法多物理場數(shù)值模擬軟件對脈沖磁致振蕩下鑄錠凝固過程的磁場及流場分布進行分析。Ga-20%In-12%Sn(質(zhì)量分數(shù))合金的熱物性參數(shù)[16]見表1。定義材料屬性并賦予線圈、液態(tài)金屬和空氣單元，脈沖磁致振蕩線圈由水冷銅管制成，高度約125 mm，內(nèi)、外徑分別為100和124 mm。其中以線圈中心與金屬熔體水平中線重合為例，合金熔體和線圈選擇規(guī)整正方形網(wǎng)格，除了線圈上下方空氣部分采用正方形網(wǎng)格，以確保計算精度外，其余部分空氣選擇自由三角形網(wǎng)格以減少計算量，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。本文數(shù)值模擬基于以下幾點假設(shè)：(1)采用二維軸對稱模型進行系統(tǒng)簡化；(2)將電磁線圈視為電流密度均勻分布的螺線管線圈；(3)液態(tài)金屬為牛頓不可壓縮流體，不考慮溫度耗散；(4)采用滑移邊界條件，液態(tài)金屬表面設(shè)定為自由壓力點約束；除自由表面外，所有壁面采用無滑移邊界條件。

表1 Ga-20%In-12%Sn合金的熱物性參數(shù)

圖3 有限元網(wǎng)格劃分

3 結(jié)果與討論

圖4是將脈沖磁致振蕩線圈施加在相對Ga-In-Sn液態(tài)金屬高度方向的上、中、下3個不同位置時，熔體中心軸線軸向流速的物理試驗測量結(jié)果。從圖4可以看出，當線圈位于熔體不同位置時，脈沖磁致振蕩處理20 s，線圈下部熔體流速方向均向下，線圈上部流速方向均向上，這表明改變線圈位置不會對熔體內(nèi)部流速的分布產(chǎn)生較大影響。此外，還可以看出,在3種不同情況下，脈沖磁致振蕩在金屬熔體中產(chǎn)生了近似相同的流動形式的流動強度，最大流速均為90 mm/s左右。主要區(qū)別在于：線圈位于熔體上部時，熔體頂部流動較強，而底部較弱(圖4(a))；位于熔體中部時，在熔體上、下部分出現(xiàn)了一個軸對稱流動(圖4(b))；位于熔體下部時，熔體頂部流動較弱，而底部較強(圖4(c))。強制流動通常被認為是脈沖電流引起凝固組織細化的主要因素[5]，因為強制流動引起溶質(zhì)起伏和溫度起伏，導(dǎo)致枝晶熔斷從而細化晶粒[17]。因此相比其他兩個位置，線圈位于熔體中部時引起的模鑄凝固組織細化效果最好。

圖4 線圈位于熔體上(a)、中(b)、下(c)3個位置時脈沖磁致振蕩處理20 s內(nèi)Ga-In-Sn合金熔體中心軸線軸向的流速分布

圖5是線圈位于熔體上、中、下3個位置時脈沖磁致振蕩處理5 s后熔體流場分布的數(shù)值模擬結(jié)果，與圖4的物理試驗測量結(jié)果對比可知：(1)脈沖磁致振蕩處理引起熔體沿線圈中心上下對稱位置形成了較大的渦流現(xiàn)象[18-19]；(2)數(shù)值模擬得出的流速數(shù)值較試驗測量值略大(偏差<10%),如熔體中心軸線處，試驗測得的最大流速約90.5 mm/s，數(shù)值模擬的最大流速約97.9 mm/s。可能有以下幾點原因：(1)試驗過程中輸入的脈沖電流的波形有變化，而數(shù)值模擬對波形進行了理想化處理；(2)部分數(shù)值模擬假設(shè)可能不完全符合實際條件，如電磁線圈不能完全被視為空心圓柱體，電流密度分布不均勻且存在一定的溫度耗散。總體上，數(shù)值模擬與試驗結(jié)果均表明：當線圈位于熔體上方(圖4(a)和5(a))時，液面波動最為劇烈，有助于形成頂部結(jié)晶雨[20]，但熔體底部流速較小，不利于凝固組織整體均勻細化；當線圈位于熔體下方(圖4(c)和5(c))時，熔體頂部晶核脫落效果不明顯；當線圈位于熔體中部(圖4(b)和5(b))時，熔體內(nèi)部渦流分布相對較為均勻，液面適度振蕩可形成較多的結(jié)晶雨晶核。

圖5 線圈位于熔體上(a)、中(b)、下(c)3個位置時脈沖磁致振蕩處理5 s后Ga-In-Sn合金熔體內(nèi)的流速分布

圖6 線圈位于熔體上(a)、中(b)、下(c)3個位置時Ga-In-Sn合金熔體高度方向的磁通密度分布(t=7e-4s)

4 結(jié)術(shù)語

綜合數(shù)值模擬與物理試驗測定結(jié)果，得出在脈沖磁致振蕩外場作用下，模鑄熔體內(nèi)部在高度方向上存在兩個強渦流。在本文給定的脈沖參數(shù)條件下，將脈沖磁致振蕩線圈放置與熔體中部平齊時，可同時兼顧熔體內(nèi)部均勻?qū)α骷耙好嫣幮魏说恼{(diào)控。