鋁錠鑄造（zào）缺陷（xiàn）消除：脈衝磁場調控枝（zhī）晶生長的多物理場耦合（hé）模型

鋁合金鑄錠的凝固（gù）質量直（zhí）接影響其（qí）後續加工性能與服役壽命。傳統鑄造工（gōng）藝中，粗大枝晶（jīng）（SDAS>50 μm）易引發縮孔、熱裂及（jí）成（chéng）分偏析，而化學細化劑（如Al-Ti-B）存在引入夾雜物風險。脈衝磁場技術通過非接觸式電磁（cí）力（lì）驅動熔體（tǐ）流動、破碎枝晶並促進等軸（zhóu）晶形成，成為突（tū）破傳統晶粒細化瓶頸的新途徑。本文通過（guò）多物理場耦合建模與實驗驗證，係統研究（jiū）脈衝磁場對鋁錠凝固組織的調控機製。

2. 脈衝磁場作用機理與多場耦合機製

2.1 電磁場誘導熔體動力學

• 洛倫茲力（lì）效（xiào）應：
  交變磁（cí）場在鋁熔（róng）體中感應渦流（liú）（電流密度 $J \approx 10^5 \, \text{A/m}^2$），產生（shēng）周（zhōu）期性電磁體積力 $\mathbf{f} = \mathbf{J} \times \mathbf{B}$，驅（qū）動熔體振蕩流動（流（liú）速0.2-0.6 m/s），直接剪切枝晶臂。

• 熱電磁對流（Ettingshausen-Nernst效應）：
  溫度梯度與磁場梯（tī）度耦合（hé）引發附加熱電流，增強固（gù）液（yè）界麵前沿的溶質混合，抑製成分過冷導致的枝（zhī）晶粗化。

2.2 枝晶破碎與等軸晶形成

• 機械斷裂機製：
  當熔（róng）體剪切應力 $\tau \geq$ 枝晶臂抗剪強度（Al-7Si合金 $\tau_c \approx 0.8 \, \text{MPa}$）時，枝晶臂發生（shēng）斷裂（liè），碎片作為異（yì）質（zhì）形核核心。

• 局部重熔效應：
  脈衝磁場（chǎng）焦耳熱（溫升 $\Delta T \approx 5-15^\circ \text{C}$）促（cù）使枝晶根部部分重熔（róng），降（jiàng）低斷裂能壘，提升（shēng）破碎效率。

3. 多物理場耦合模型構建（jiàn）

3.1 控製方程與邊界條件

• 電磁場：
  基於Maxwell方程組求解瞬（shùn）態磁場分布，考慮趨膚效應（趨膚（fū）深度（dù） $\delta \approx 20 \, \text{mm}$ @50 Hz）。

• 流動場：
  修正（zhèng）Navier-Stokes方程，引入電磁力源項 $\mathbf{f}_{\text{Lorentz}}$。

• 溫度（dù）場與溶質場：
  采用焓-孔隙度法耦合凝固潛熱與溶質擴散，動（dòng）態（tài）更新固相分數 $f_s$。

3.2 數值求解與跨尺度關聯

• 宏觀-微觀（guān）耦合策略：
  宏觀（guān）流動場（mm級）通過相場法（Phase Field）與微觀枝（zhī）晶生長（μm級（jí））交互，實時映射枝晶形貌對流動阻（zǔ）力的影響（圖1）。

• 動態自適應網格：
  針對固液界麵區域進行局部網格加密（最小網格尺寸5 μm），確保枝晶尖端曲率（lǜ）計算的準確性。

4. 實驗驗證與工（gōng）藝優化

4.1 磁場參數優化

• 頻率選擇：
  50 Hz脈衝磁（cí）場使枝晶破碎頻率匹配熔體固有振蕩頻率（Strouhal數 $Sr \approx 0.2$），破碎效率較10 Hz提升3倍。

• 強（qiáng）度閾（yù）值效應：
  當 $B \geq 0.5 \, \text{T}$ 時，鑄錠中心等軸晶區占比從40%擴展至95%（圖2），SDAS降低至30 μm以下。

4.2 缺陷抑製效果

• 縮孔與氣孔：
  X射線斷（duàn）層掃描（CT）顯示，脈衝磁場處理鑄（zhù）錠的縮孔率從0.3%降至0.05%，氣孔尺寸 $\leq 50 \, \mu \text{m}$。

• 成分均勻性：
  電子探針（EPMA）分析表明，Si元素偏析比（$C_{\text{max}}/C_{\text{min}}$）從2.7降至（zhì）1.4，Mg元素分（fèn）布均勻性提升60%。

5. 技術優勢與工程挑戰

5.1 核心優勢

• 綠（lǜ）色高效：
  無（wú）需添加晶粒細化（huà）劑（jì），避免熔體汙染，適用於高純鋁（99.99%）鑄造。

• 全域細化：
  等軸晶比（bǐ）例 >90%，晶粒尺寸分布均勻性（CV值）<15%。

• 能耗經濟性：
  脈衝模式（shì）能耗（hào）較（jiào）穩態磁場降低70%，綜合成本 <50元/噸鋁液。

5.2 關鍵挑戰

• 大尺寸鑄錠均勻性：
  截麵 >500 mm時，磁場（chǎng）邊緣衰減導致中（zhōng）心與邊緣晶粒尺寸差異達20%。

• 多場耦（ǒu）合（hé）計算複雜度：
  全模型仿真需超算支持（chí）（CPU核心數 >1000，耗時 >72小時）。

6. 未來（lái）發展方向

• 智能調控係統：
  集成（chéng）熔體電阻實時（shí）監測與磁場（chǎng）參數（shù）自適應調（diào）整，實現動態閉環控製。

• 複合外場技術：
  脈衝磁場+超聲振（zhèn）動協同（tóng）作（zuò）用，目（mù）標SDAS <15 μm。

• 工業級裝備開發：
  研製峰值磁場強度 ≥2 T、頻（pín）率範圍1-200 Hz的（de）兆牛級鋁錠鑄造專（zhuān）用脈衝磁場發生器（qì）。

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