电磁约束成形定向凝固技术优化

电磁约束成形定向凝固技术是指将电磁约束成形技术和高梯度定向技术相结合的新型材料制备技术[13]。它将电磁场对材料的加热和电磁力作用这两种效应耦合起来，在对材料加热熔化的同时施加约束力，约束合金液相的形状，可进行材料的无坩埚熔炼、无铸型成形与凝固。同时，冷却介质与铸件表面直接接触，增强铸件固相的冷却能力，让固—液界面附近的熔体内产生很高的温度梯度，可使凝固组织细化。电磁成形定向凝固技术特别适用于高熔点、易氧化、高活性的特种合金的多种截面形状、中小尺寸坯件的无污染熔化、成形和凝固组织控制及其短流程制备。利用电磁成形定向凝固技术处理高温合金时，由于合金密度大，电磁参数低，约束相同高度熔体所需的电磁压力将是铝的6.7倍，而钢及高温合金的导热性只有铝的1/6，这样，由于导热性的差异，使得钢及高温合金熔体的内外温差增大，极不利于液体金属的稳定与成形。同时，真空下冷却受设备及环境条件的限制远大于非真空条件下所受到的限制，电磁场在对坯料加热的同时.对冷却介质也有一定的加热作用.可使其冷却能力降低。根据这一特点，对最初的设备进行改进，制成了感应器-熔体-屏蔽罩耦合系统，有效地解决了真空下特种合金电磁约束成形过程中的加热熔化和约束成形的耦合问题[14]，成功地获得了具有柱状晶组织的不锈钢、高温合金圆形和近矩形截面铸件。实现电磁约束成形控制的核心问题是解决加热熔化功率与电磁约束力的耦合问题。电磁加热功率与约束力合理匹配，才能使温度控制与形状控制同时满足凝固过程的要求。单频电磁约束成形中无法分别调节加热功率和约束力的大小，两者之间匹配范围很窄。为了能独立地实现固态金属快速加热熔化及液态金属的电磁约束成形这两个相互关联的过程.提出了真空下特种合金电磁约束成形的双感应器—熔体—屏蔽罩耦合的方法，建立了相应的技术工艺方案（见图5-10）[15]，实现了分别调节电磁约束成形过程中加热功率和约束力场的大小目的，克服了单频电磁约束成形过程中的工艺参数范围窄的缺点。在实验室采用双频电磁约束成形的方法，获得了具有定向凝固组织的大宽厚比（48mm×12mm）的K3高温合金的板状件。

在电磁约束成形法获取板状件等复杂形状铸件时，由于拐角处的曲率半径小.导致熔体的表面张力增大.特别是在具有凹截面形状的铸件成形时，熔体表面张力指向熔体外表面。这些因素不利于熔体的精确成形。由于电磁力的辅助作用使熔体与模壳接触时间短，接触面积小，所以受到模壳材料的污染较小。熔体的形状取决于磁模的形状。因此，电磁软接触约束成形可以实现各类复杂形状的坯件，且构件能精确成形，现已在实验室成功制备出叶片状高温合金样件。

电磁约束成形定向凝固技术为先进材料成形加工技术的发展开辟了一个新的途径，对于高熔点、易氧化、高活性特种合金的成形制备具有特别重要的意义。但复杂熔体形状的精确成形涉及三维电磁场、流场、温度场的耦合及稳定性分析，相关理论还需要做更深入的研究，而且如何进行复杂形状成形的自动控制仍是需要解决的问题。(www.xing528.com)

图5-10　双频点刺成形定向凝固原理图

1—真空室；2—送料机构；3—固态坯料；4—预热感应器；5—成形感应器；6—熔体；7—屏蔽罩；8—已凝固件；9—液态金属；10—冷却器；11—拉出机构