材料制备加工过程中电磁技术应用.docx

材料制备加工过程中电磁技术应用电磁场作为自然界重要的物理场之一，有两种特殊的效应——“热效应”和“力效应”，即感应热和电磁力。因具有独特的性能，如交变磁场的感应热可作为高效清洁的热源，交变磁场在金属熔体内产生电磁力以及均恒磁场与直流电流交互作用产生的电磁力，可作为外力施加到材料表面和内部且便于操作和控制，因此成为金属材料熔炼、熔体提纯、组织细化、控制熔体凝固与成形以及制造复合材料的一种重要手段。材料电磁加工（Electromagnetic Processing of Materials，简称EPM）是近年来材料科学和制备领域内重要的研究方向，它已从开始的改进传统工艺过程发展成为新材料、新工艺开发的源泉。本文主要探讨电磁约束成形技术（Electromagnetic confinement and shaping）的原理，发展历程及其应用。一、电磁约束成形技术电磁约束成形技术集材料的加热熔化、无接触约束成形及组织定向凝固于一体，特别适用于高熔点、易氧化、高活性材料的无污染尽终成形制备。沈军等在1996年首次提出电磁约束成形技术的原理及其理论模型，并利用单频电磁约束成形技术成功制备出圆柱状纯铝试样。随后，李金山等利用不锈钢对单频电磁约束成形技术作出了进一步的探索研究。然而，单频电磁约束成形技术工艺参数的可调节范围相对较窄，在金属的熔化过热及约束成形间较难实现很好的耦合。当试样尺寸较大或者抽拉速率较快时，单频电磁约束成形的加热熔化能力往往不够，很难将试样迅速熔化。要想将试样熔化，就必须增加电流，熔体表面受到的电磁力也会相应增强，使熔区形状变差，从而降低试样成形的稳定性。因此在单频电磁约束成形的基础上，沈军提出了双频电磁约束成形理论，李双明等、寇宏超等、卢百平等先后对其进行了实验研究。利用双频电磁约束成形技术使得电磁约束成形过程中试样的感应熔化和约束成形相对较为独立。一定程度上克服了单频电磁约束成形定向凝固过程中工艺参数较窄的不足，成功制备出各种截面形状的铝合金、高温合金、不锈钢等试样。张丰收等又在此基础上提出了软接触电磁成形技术，在吸收单频和双频电磁约束成形技术的同时，采用磁膜及磁化套，使成形形状更加精确。二、研究现状液态金属电磁约束成形是将电磁场用于金属材料的熔化精炼和约束成形金属熔体等加工过程?,以提供一个高纯净、低污染、短流程的材料制备工艺,是近年来材料、冶金领域引起广泛关注的技术。它主要包括冷坩埚感应熔炼技术、电磁悬浮熔炼技术、电磁铸造技术和电磁约束成形定向凝固技术。目前的研究表明?,电磁约束成形定向凝固技术是一种完全不同于其他三种电磁成形方法的新的材料制备技术?,在高熔点、易氧化、高活性特种合金的成形制备中明显地显示出其优势和先进性。研究液态金属电磁约束成形?,对于丰富和发展特种合金短流程、无(少)?污染成形制备技术有重要意义。三、工作原理电磁约束成形技术是利用Maxwall理论和电磁感应原理，在成形感应器中加载高频电流，使放入成形感应器中的金属式样感应熔化。与此同时，在感应磁场及感应电流的共同作用下，在熔体表面产生一个指向熔体内部的电磁压力。当作用在熔体上的电磁压力、熔体表面张力形成的压力和流体动力与静压力达到动态平衡时，金属熔体可形成一定高度的熔区，并在设定的抽拉速度下稳定成形。三、电磁约束成形的影响因素（1）成形感应器横截面形状作为成形感应器的关键参数之一，在横截面上对应产生的等磁感应强度线决定了电磁约束过程中熔区横截面的大致形状。当成形感应器横截面为圆形时对应产生的等磁感应强度线为圆形，其约束成形的熔区横截面也几乎为圆形；当成形感应器横截面为矩形时，等磁感应强度线为椭圆形，忽略表面张力的影响，其熔区的横截面形状也为椭圆形。如果要获得试样横截面角部近似为直角的试样，如近矩形或大宽厚比板状试样，则需使对应位置等磁感应线也近似为直角。此时可将成形感应器角部加工为特殊的圆弧状，然而由于熔体表面张力的作用，使得成形试样角部不可能形成理想的直角。沈军的研究表明，成形感应器内感应磁场的轴向分布首先取决于成形感应器的宽高比D/H，D为方形成形感应器内壁宽度或圆形成形感应器内壁直径，H为成形感应器高度。D/H越小，产生的感应磁场越容易在峰值位置处出现平台。此时电磁压力也相应在该处出现平台。因而与熔体静压力的分布规律不同。影响了电磁约束成形的形状及稳定性，使得约束成形过程较难控制。D/H较大时，磁场上峰面的磁感应强度迅速衰减，斜率变小，使得加热区域变小，无法约束成形足够高的熔区甚至使试样无法熔化。此外D/H的取值与熔体本身的密度（即其静压力的分布规律）也有很大关系一定时。对于不同的材料，所选取的感应器高度H也应有所不同，以保证熔体静压力和电磁力达到很好的耦合效果，最终约束成形出理想的熔区形状。另外，成形感应器倾角也对磁场轴向分布有重要的