螺旋磁場對鎳基高溫合金GH4169凝固及成分偏析的影響

王 勃，許寶卉，王付杰，王月宇

(1. 運城學院 機電工程系；2. 運城學院 圖書館，山西 運城 044000)

引言

隨著社會的發展，人們對金屬材料性能的要求愈發嚴格。成分偏析是一種在合金凝固過程中會普遍發生，且會導致合金凝固組織中各溶質元素分布不均勻的凝固行為，它會嚴重影響金屬材料的機械性能，進而惡化材料的使役性能[1]。早在20世紀30年代，電磁場由于其非直接接觸的特性，便在金屬凝固偏析的控制領域有了初步應用[2,3]。而后，為了提高連鑄坯質量，人們將電磁場應用到冶金連鑄生產過程中，如今，電磁攪拌器對于各個鋼鐵企業的重要性也越來越高。從20世紀60年代開始針對電磁場對金屬凝固過程影響的研究大量涌現。王曉東等[4]開發了一種模式行波磁場，并將其用于對金屬液的電磁攪拌，結果表明金屬液流動強度高于4 Hz的頻率時不再增加；Willers等[5]將低頻脈沖磁場應用于Al-7%Si合金的凝固過程，研究發現，在合適的參數情況下，通過改變旋轉磁場的模式頻率，可以明顯改善鑄錠的宏觀偏析。

在金屬凝固前沿液相區，旋轉磁場能提供較好的攪拌效果，而行波磁場則能提供較好的混勻效果，二者疊加形成的螺旋磁場因兼具二者的特點引起了人們極大的研究興趣。Cramer等[6]研究了螺旋磁場對所驅動的湍流強度的影響，結果表明，在電磁力處于同一量級的情況下，旋轉磁場在螺旋磁場中占據主導地位，金屬液的流動行為與旋轉磁場驅動下一致；張楠等[7]則以Sn-Pb合金為對象研究了螺旋磁場對其凝固偏析的影響，發現螺旋磁場在消除成分偏析和細化晶粒方面較旋轉磁場更有優勢；王勃等[8]研究了螺旋磁場對Al-7%Si合金凝固及成分偏析的影響，結果表明，螺旋磁場在一定程度上改善了合金的成分偏析，促進了CET過程，模式螺旋磁場的作用效果更優。本文以GH4169合金為對象，在其凝固過程中施加了不同形式的螺旋磁場進行對比研究，探討了螺旋磁場對GH4169合金凝固和成分偏析的影響，為電磁場在提高合金性能方面的深入應用夯實基礎。

1. 實驗裝置及方案

(a)俯視圖 (b)主視圖圖1 線圈型螺旋磁場結構示意圖

研究中開發了線圈型螺旋磁場體，該螺旋磁場體由第一組線圈和第二組線圈在空間同軸疊加組裝而成；如圖1(a)所示的第一組線圈垂直套在鐵芯上，第一組線圈包括繞組A、B、C、D、E和F，其中A和D、B和E、C和F分別串聯構成三相線圈，三相線圈的同名端采用星形連接并通三相正交流電，可在第一組三相線圈的心部形成旋轉磁場。如圖1(b)所示的第二組線圈相間水平環繞嵌在鐵芯的芯齒槽內，包括繞組a、b、c、d、e和f六個繞組，與旋轉磁場的產生方式相同，a和d、b和e、c和f分別串聯構成三相線圈，三相線圈的同名端采用星形連接并通三相正交流電，可在其心部形成行波磁場。兩組線圈同時通交流電即可疊加形成螺旋磁場。圖2為線圈型模式螺旋磁場的發生裝置，整體裝置由攪拌器控制系統、電磁攪拌器本體和冷卻系統三部分組成。圖2(a)為整個裝置的控制柜，圖2(b)是線圈本體，實驗在線圈中間的圓柱空心區域進行，圖2(c)是冷卻水箱，線圈在工作的時候發熱，需要采用冷卻水冷卻。

(a)攪拌器控制系統：主要由控制柜、變頻電源柜及低壓配電柜等部分組成。系統內PLC采用SIEMENS系列產品，工控機采用臺灣研華系列，低頻電源變頻變壓部分采用進口的專用變頻器件。

(b)電磁攪拌器：由外殼和感應器組成，感應器的六個線圈繞組可分別產生周向的旋轉磁場、軸向的行波磁場及疊加而成的螺旋磁場，從而實現合金溶液在圓周方向的旋轉運動和在軸向的上下運動，起到均勻材料內各項組分的均勻的作用。

(c)冷卻系統。冷卻系統主要由冷卻水箱和循環泵組成。循環泵將水箱中的水泵入線圈內，然后從出水管回到水箱中完成循環。工作之前，應先打開水泵冷卻后開線圈。

(a)攪拌器控制系統 (b)電磁攪拌器 (c)冷卻水箱圖2 線圈型模式螺旋磁場發生裝置

本研究所采用的線圈型磁場裝置產生磁場的強弱可通過頻率及電流等控制參數調節，當運行方式設置為交替運行時，可產生運動方向周期性改變的模式螺旋磁場。螺旋磁場的運行參數見表1。

表1 螺旋磁場運行參數

實驗選定商業高溫鎳基合金GH4169來研究模式磁場對凝固偏析的改善作用。GH4169合金是一種沉淀強化型鎳基變形高溫合金，熔點為1290 ℃，其化學成分見表2。實驗中先將GH4169鑄錠置于剛玉弧形坩堝中經高溫電爐(型號BLMT-1800，洛陽博萊曼特試驗電爐有限公司)熔化，而后將坩堝取出整體置于電磁攪拌器心部圓柱形區域中心位置進行凝固實驗。

表2 鎳基高溫合金主要成分(wt%)

本文研究了未加磁場、施加單向螺旋磁場以及施加模式螺旋磁場三種磁場形式下鎳基GH4169合金的凝固及偏析情況，如表3所示。待合金凝固過程完成后對鑄錠脫模，將鑄錠沿中心縱剖一分為二并銑平，用砂紙進行打磨拋光。一半鑄錠取6個采樣點采樣進行溶質成分測定以研究成分偏析情況，圖3為采樣點的位置分布。另一半鑄錠用鹽酸與雙氧水混合液(體積比H2O2∶HCL=1∶3)的腐蝕液進行金相腐蝕，用于觀察鑄錠的宏觀組織。

表3 實驗方案

圖3 采樣點位置示意圖

2. 實驗結果及討論

2.1 螺旋磁場分布規律

利用TM-701型特斯拉計測量的攪拌器螺旋磁場分布情況如圖4所示，H=0，r=0處為攪拌器圓柱體幾何中心點。從4(a)圖中可知，磁感應強度總體呈現中心強、兩端弱的特點，在攪拌器中心軸線兩端處衰減幅度較大，±200 mm范圍內衰減幅度較小，可以認為軸向±200 mm范圍內均為磁場有效作用區域，本實驗中合金液中心點位于軸向+25 mm處，故整體合金液均位于該攪拌器磁場有效作用區域。從4(b)圖中可知，磁感應強度總體呈現兩端強、中心弱的特點，在中心處衰減幅度較小，故可以認為整個徑向范圍均為磁場有效作用區域。

圖4 線圈型螺旋磁場磁場強度分布規律

2.2 凝固宏觀組織

圖5為不同磁場條件下GH4169合金宏觀組織照片，可以看出，三次實驗條件下凝固鑄錠均出現了不同程度的氣孔缺陷，這是因為實驗條件下的鑄錠中心部位液相最后凝固，體積收縮得不到液相補充而引起凝固收縮出現氣孔。圖5(a)中未施加磁場，凝固過程在自然對流條件下進行，鑄錠斷面上幾乎全為粗大的柱狀晶，圖5(b)中施加單向螺旋磁場后，鑄錠內部發生了明顯的CET過程，等軸晶區域顯著增大；圖5(c)中施加模式螺旋磁場后，等軸晶在縱剖面上已占據絕對主導地位，且晶粒分布更為均勻細密，但在鑄錠邊緣出現了裂紋。

圖5 不同磁場條件下GH4169合金宏觀組織

從以上的結果可知，螺旋磁場的施加顯著促進了CET過程，明顯增大了等軸晶區域，這是因為磁場在凝固前沿液相區形成的強迫對流對枝晶臂起到沖刷作用，使得枝晶斷裂，形成了大量細小的游離晶，進而促進了細密的等軸晶組織的產生，而模式螺旋磁場更加強化了這種對流作用，等軸晶晶粒更為細化。

凝固過程施加電磁攪拌，由電磁感應原理，合金液內部會相繼產生感應電勢ε和感應電流I，合金液會受到磁場與感應電流相互作用產生的洛倫茲力。同時，由于螺旋磁場是兼具旋轉磁場和行波磁場的特點，合金液除了受到旋轉平面的徑向力和周向力外，還受到沿軸線上下方向的行波力，故螺旋磁場使合金液處于強烈的三維對流狀態，而模式螺旋磁場則周期性地改變著這種三維流動，使得合金液內部形成穩定的往返流動，更有利于柱狀晶的斷裂，進而形成更為細密的等軸晶組織。由于模式螺旋磁場的參數直接決定了合金液的流動形態，從往返流動作用的時間來看，模式周期及磁場強度的選擇是下一步研究的方向。

2.3 鑄錠成分偏析

三種實驗條件下，采樣點的平均值分別為51.35%、52.68%、51.84%，均較接近于52.5%的名義值。不同磁場形式對GH4169合金軸向成分偏析的影響情況以1#、2#、3#采樣點為例說明，其結果如圖6所示。從圖中可以看出，未施加磁場時鑄錠的成分偏析非常嚴重，上部含量遠小于中下部含量，施加螺旋磁場后，成分偏析明顯減輕，且單向螺旋磁場的效果明顯優于模式螺旋磁場，上部和中部鎳含量差僅為0.35%，成分偏析幾乎消除。

圖6 不同磁場形式下Ni含量分布

表4 不同磁場形式下GH4169鑄錠徑向成分偏析情況

3. 結論

(1)本實驗中的圓柱形螺旋磁場攪拌器工作空間中的下磁場分布呈現出軸向中心強兩端弱，而徑向相對均勻的特點，有效的磁場工作區域為軸向±200 mm、徑向±80 mm。

(2)由于磁場在凝固前沿液相區形成的強迫對流沖刷枝晶臂使得枝晶斷裂，形成了大量細小的游離晶，從而促進了細密的等軸晶組織的產生，螺旋磁場的施加促進了CET過程，顯著增大了等軸晶區域，模式螺旋磁場的效果優于單向螺旋磁場，等軸晶晶粒更為細化。

(3)鎳基GH4169合金鑄錠截面的溶質濃度分布情況，在自然對流條件下，鑄錠的成分偏析較為嚴重，施加螺旋磁場后鑄錠的軸向成分偏析顯著減輕。

(4)模式螺旋磁場能夠促進CET過程，減輕鑄錠的偏析程度。只有在較合理的模式參數控制下，才能更好地發揮模式磁場的作用。未來的研究工作應著重于電流強度、模式頻率等控制參數與合金液流動速度及凝固速率之間的匹配關系。