被SCI-E, Elsevier Scopus, EBSCO,  中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫CSCD、知網(wǎng)，萬方等多家國內(nèi)外知名數(shù)據(jù)庫收錄。2021年影響因子1.045，JCR 3區(qū)，是WJCI收錄期刊、中國科技核心期刊，入選2021中國國際影響力優(yōu)秀學(xué)術(shù)期刊。

　　研究背景
　　與鑄造鎂合金相比，變形鎂合金具有更好的力學(xué)性能和更廣泛的應(yīng)用前景，近年來其研究和應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。作為材料形變的重要前提，鑄造錠坯冶金質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響材料形變行為以及使役性能。傳統(tǒng)半連鑄工藝制備的鎂合金錠坯存在晶粒粗大、組織不均、偏析、氧化夾雜嚴(yán)重等問題，施加電磁場可有效改變凝固行為并顯著改善凝固過程的流場與溫度場，從而有效調(diào)控糊狀區(qū)和液穴形狀，達(dá)到細(xì)化凝固組織、抑制偏析、降低裂紋趨勢、改善錠坯表面質(zhì)量等效果。但實(shí)踐表明，傳統(tǒng)電磁鑄造的工藝窗口較窄，其作用效果極大受限于工業(yè)現(xiàn)場的作業(yè)條件，導(dǎo)致電磁作用與冷卻條件難以良好匹配，作用效果不理想。因此，探索新型電磁場在鎂合金半連續(xù)鑄造的應(yīng)用以及作用效果與機(jī)理，以進(jìn)一步提高鎂合金鑄造錠坯的冶金質(zhì)量具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　東北大學(xué)材料電磁過程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室樂啟熾教授課題組鎂合金電磁鑄造理論與技術(shù)研究有近20年的積淀，其具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鎂合金低頻電磁鑄造技術(shù)已經(jīng)在全行業(yè)得到推廣應(yīng)用。在工業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上，近年來課題組在新型電磁設(shè)計(jì)及其在鎂合金半連鑄中的應(yīng)用方面持之以恒開展研究，開發(fā)出了新型差相振蕩電磁鑄造技術(shù)，以進(jìn)一步提升鎂合金錠坯的冶金質(zhì)量與穩(wěn)定化水平。這將為工業(yè)電磁半連鑄電磁場發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及錠坯鑄造工藝參數(shù)的優(yōu)化提供指導(dǎo)。
　　內(nèi)容摘要
　　本文基于多物理場耦合數(shù)值模擬方法，研究了不同電磁參數(shù)下，直徑Φ300mm的 AZ80鎂合金圓坯差相電磁DC鑄造過程中的電磁分布、熔體流動(dòng)及傳熱行為。結(jié)果表明，電流強(qiáng)度增加只改變洛倫茲力大小，而并不改變洛倫茲力的分布特點(diǎn)；洛倫茲力最大值隨電流強(qiáng)度的增加呈線性增加；隨著頻率的增加，洛倫茲力r方向分量基本保持不變，z方向分量略有減小。電流強(qiáng)度變化與熔體振蕩、對流強(qiáng)度及溫度分布均勻性呈正相關(guān)，但這并不意味著電流越大，鑄坯的冶金質(zhì)量越好。此外，較低的頻率有利于產(chǎn)生更顯著的熔體流動(dòng)和速度波動(dòng)，有利于形成更均勻的溫度場。對于直徑Φ300mm的AZ80鎂合金鑄坯差相振蕩電磁半連續(xù)鑄造，電流強(qiáng)度選擇80~100A，頻率選擇10~20Hz為宜。
　　研究方法和結(jié)果
　　本文所報(bào)道的研究工作基于磁-流-熱多物理場瞬態(tài)耦合數(shù)值計(jì)算模型和不同電磁參數(shù)（電流強(qiáng)度和頻率）下的實(shí)測電流數(shù)據(jù)，系統(tǒng)研究了電磁參數(shù)對直徑Φ300mm的AZ80鎂合金圓錠半連鑄過程中洛倫茲力、流場和溫度場的影響規(guī)律。圖1所示為一個(gè)磁場周期內(nèi) c 點(diǎn)洛倫茲力r方向分力（Fr）和洛倫茲力z方向分力（Fz）的變化表明，隨著電流強(qiáng)度的增加，洛倫茲力變化趨勢相同，其 r方向分力的大小和方向均不斷變化，且指向熔體內(nèi)部（?r）的洛倫茲力遠(yuǎn)大于指向邊部（+r）的力，而z方向的力僅大小不斷變化，方向始終指向液穴內(nèi)部。電流強(qiáng)度的增加只是改變了洛倫茲力大小，并沒有改變其變化規(guī)律，其最大值呈線性增加。

　　圖2給出了不同電流強(qiáng)度下，鑄造穩(wěn)定階段的溫度場，主要體現(xiàn)了糊狀區(qū)的溫度梯度，其中，藍(lán)色區(qū)域?yàn)楣滔鄥^(qū)?？梢?，隨著電流強(qiáng)度的增加，內(nèi)部熔體溫度不斷降低，中心低溫區(qū)面積增加，邊部較高溫度區(qū)域面積逐漸減小，液穴深度逐漸降低，分別為 60.5（40A）、45.4（60A）、35.9（80A）、29.7（100A）和 27.4mm（120A）。這是由于洛倫茲力促使熔體環(huán)流增加，加速中心高溫熔體向邊部的轉(zhuǎn)移，而邊部的高冷卻速度使熔體溫度迅速降低，部分低溫熔體隨環(huán)流繼續(xù)轉(zhuǎn)移至中心區(qū)域，使中心溫度不斷降低。隨著電流強(qiáng)度增加，這種熔體轉(zhuǎn)移能力增強(qiáng)。

　　圖3中洛倫茲力隨時(shí)間的變化表明，隨著頻率的增加，指向液穴中心的洛倫茲力r方向分量大小無明顯變化，而指向結(jié)晶器壁面的洛倫茲力最大值逐漸增加，且z方向分量遠(yuǎn)小于r方向分量。頻率增加，最大洛倫茲力逐漸減小，從 10Hz 時(shí)的3212 N?m-3 降低至 40Hz 時(shí)的778 N?m-3。一個(gè)磁場周期內(nèi)，洛倫茲力第一個(gè)上升和下降區(qū)間內(nèi)，洛倫茲力r方向分量遠(yuǎn)大于z方向分量，此后的時(shí)間內(nèi)z方向分量大小并無明顯變化。

　　進(jìn)一步分析不同頻率下，靠近結(jié)晶器內(nèi)壁c點(diǎn)處熔體的速度變化發(fā)現(xiàn)，頻率越低，熔體速度越大，這與洛倫茲力的變化趨勢一致，如圖4所示。速度最大值和波動(dòng)幅值隨頻率的變化表明，在較低頻率（<30 Hz），最大速度隨頻率的增加而減??；當(dāng)頻率從10 Hz增加到20 Hz時(shí)，速度的振蕩幅度減小。當(dāng)頻率進(jìn)一步增大時(shí)，速度的振蕩幅度基本保持不變。

　　如圖5所示，施加不同頻率時(shí)，穩(wěn)定鑄造階段的溫度場，主要給出了糊狀區(qū)的溫度梯度，其中藍(lán)色區(qū)域?yàn)楣滔鄥^(qū)?？梢?，相較于電流強(qiáng)度變化引起溫度場變化，頻率改變導(dǎo)致的熔體溫度分布的變化并不顯著。隨著頻率的增加，液穴深度和中心高溫區(qū)面積略有增加，相較于邊部區(qū)域，中心的溫度變化更明顯。

　　綜上，隨著電流強(qiáng)度的增加，液穴內(nèi)熔體沿錠坯徑向的散熱加強(qiáng)，內(nèi)部熔體會(huì)快速降至液相線溫度以下，液穴深度逐漸降低。當(dāng)電流強(qiáng)度大于100A時(shí)，液穴中心熔體溫度進(jìn)一步降低，而邊部的溫度略有升高，中心和邊部熔體溫差在70~80A時(shí)達(dá)到最??；施加差相振蕩電磁場時(shí)，頻率對洛倫茲力的影響較小。隨著頻率的增加，熔體最大流速和速度振蕩幅度逐漸減小（10~30Hz），最后基本保持不變（30~40Hz）。液穴中心熔體溫度對頻率的變化更敏感，較低頻率時(shí)可獲得更強(qiáng)的熔體對流和振蕩效果，有利于獲得均勻的溫度場。對于差相振蕩電磁鑄造，通過電流強(qiáng)度的調(diào)節(jié)使液穴邊部獲得均勻的溫度分布后，可進(jìn)一步調(diào)節(jié)頻率參數(shù)，從而獲得更加均勻的徑向溫度分布。
　　樂啟熾教授課題組
　　東北大學(xué)材料電磁過程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鎂合金研究團(tuán)隊(duì)以樂啟熾教授為主導(dǎo)，主要從事鎂合金凝固與鑄造、鎂合金塑性變形、新型變形鎂合金開發(fā)等方面的研究。近年來在國家科技部和自然科學(xué)基金委各層面項(xiàng)目支持下，在鎂合金外場凝固與半連續(xù)鑄造、鎂合金板材/卷軋制、高擠壓塑性鎂合金開發(fā)、鎂合金電化學(xué)行為與應(yīng)用等領(lǐng)域取得一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重要研究成果，并在技術(shù)成果產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用和校企合作研究中穩(wěn)步推進(jìn)，促進(jìn)了行業(yè)技術(shù)進(jìn)步與效益提升。團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有固定研究人員8名，其中5名具有博士學(xué)位，4名具有高級(jí)職稱，在讀博士與碩士研究生40余名。
　　團(tuán)隊(duì)在電磁與超聲外場凝固理論探索基礎(chǔ)上形成的半連續(xù)鑄造系列技術(shù)，在鎂合金坯料高質(zhì)量調(diào)控應(yīng)用中效果顯著，同時(shí)也在銅和鋁等其他有色合金制備應(yīng)用中取得重要進(jìn)展，已授權(quán)國家發(fā)明專利70余項(xiàng)，并在行業(yè)中實(shí)現(xiàn)了鎂合金圓坯和扁坯制備技術(shù)的全規(guī)格應(yīng)用推廣，創(chuàng)造了良好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。針對傳統(tǒng)低頻電磁鑄造存在的工藝效果局限性以及穩(wěn)定性問題，團(tuán)隊(duì)通過近五年的努力，在組合場振蕩鑄造理論研究與半連續(xù)技術(shù)與工藝裝備成套開發(fā)上取得了新進(jìn)展，為鎂行業(yè)變形坯料制備技術(shù)與裝備的升級(jí)改造提供了新的解決方案。此外，團(tuán)隊(duì)近年來還在鎂合金軋制變形理論模型以及高精度寬幅板卷近恒溫軋制工藝技術(shù)、新型高成形性鎂合金開發(fā)與應(yīng)用、鎂合金復(fù)合材料及其制備技術(shù)、鎂合金抗高溫氧化、鎂空氣電池等方面的研究中也取得了重要進(jìn)展。
來源：鑄造雜志
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