电场对金属凝固的影响

图7-1　金属熔体两种通电方式[2]

通常施加的电场主要有两类：一类是连续电场，包括直流电场和交流电场，利用这种电场可以在金属熔体中产生连续不断的电流；另一类是脉冲电场，利用这种电场使金属在瞬间产生的高电流密度下发生凝固。图7-1所示为金属熔体通电的两种方式。

1.电场对金属凝固组织的影响

凝固过程中施加电场作用的研究在国外始于20世纪60年代。W.G Pfann等[3]首先研究了电场作用下的传输行为，建立了电迁移理论，结果发现在浓度梯度、焦耳热和洛伦兹力的共同作用下产生的电迁移导致了溶质有效分配系数k的变化。John D.Verhoeven[4]通过实验证实了Pfann等的观点，并提出电场作用下液体金属内部会发生明显的混合现象。Crossley等[5]发现电流可使Al-Si合金凝固组织粗化，认为是电场所产生的过多焦耳热效应造成的结果。凝固过程中引入电流来改变组织的新工艺最早由Asoka K.Misra提出，他研究了直流电流对Pb-Sn-Zn合金凝固组织的影响，发现凝固组织不仅得到细化，而且变得更均匀。

（1）非脉冲电场的作用。20世纪60年代，Asai等[6]发现Sn-Sb合金在高密度直流电场的作用下凝固组织得到细化。80年代中期，Misra[7]发现在低熔点Pb-Sb-Sn合金的凝固过程中对其施加直流电流或交流电流都会使合金的第二相更细小，并使其在基体中的分布更加均匀，如图7-2所示[8]。90年代初，徐雁允等[9]研究了直流电场对Al-Cu合金共晶片层间距的影响，结果表明电场使片层间距减小。Ahmed等[10]研究了直流电场作用下的Ni基高温合金定向凝固过程和行为，发现凝固组织中γ'相呈细小的球状颗粒，在γ相基体上均匀地弥散分布，凝固组织被显著地细化。另外，电场降低了高温合金中的孔隙率。顾根大[11]研究了电流作用下Al-Cu和Al-Si两种共晶合金的单向凝固行为，发现电流使Al-Cu共晶合金生长界面易于呈胞状生长，使胞状共晶团的数量增加，尺寸变细。电流强烈改变了Al-Si共晶生长形态，使之以亚共晶方式生长，共晶硅片间距明显减小。李辉等[12]研究了电流处理对Al-Si亚共晶合金组织和性能的影响，发现直流电场使亚共晶Al-Si合金过冷度加大，初生α（Al）由树枝状变成颗粒状，并且力学性能大幅提高。

图7-2　直流电场对Pb-Sb-Sn合金凝固组织的影响[8]

（a）无外加电场；（b）电流密度为50mA/cm2

（2）脉冲电场的作用。20世纪90年代初，Nakada等[13]提出了一种新的凝固方法：金属熔体在脉冲电场中凝固。通过对脉冲电场作用下Sb-Sn合金凝固过程的研究发现，脉冲电场可使宏观组织从富Sn的树枝状粗大晶粒变成由富Sn的球状颗粒组成的细小晶粒，且可使显微组织中的先共晶相也从枝晶状变成颗粒状。李建明等[14]对Pb-60%Sn合金的研究表明：大电容、低电压电路所产生的脉冲电流可使初生相球化、共晶团沿电极方向伸长；而小电容、高电压电路所产生的脉冲电流可减小共晶体的片间距，并使得共晶体的层片均沿电极方向生长。王建中等[15]用脉冲分别对Al-5.0%Cu合金进行电脉冲处理，结果铸锭的凝固结构得到了改善，柱状晶区缩小，等轴晶区扩大，晶粒得到很大程度的细化。

2.电流对金属凝固组织作用的机理(www.xing528.com)

根据对电磁学和金属凝固理论的现有认识，人们推测电场作用于凝固系统会产生一系列效应：电传输效应、焦耳热效应、Peltier效应、起伏效应和收缩效应等[16，17]。

（1）电传输效应是液体金属中各种离子在电场作用下发生定向迁移的现象。这种电传输的方向取决于电场的极性。因此，电传输效应只能在直流电场中表现出来。在交流电场作用下，电传输速度为零，无法表现出来。电传输效应可使金属凝固时界面有效分配系数发生变化。但是仅靠电传输效应却无法解释交流电场作用下界面有效分配系数也有明显变化的现象。

（2）电流通过导体时，设电流密度为i，导体的电导率为γ，则电流通过导体时，产生的焦尔热QJ为

对于凝固体系来说，焦尔热相当于内热源，它将使凝固系统整体冷速降低，过冷度减小。对固液共存的状态而言，由于液体金属的电导率比同材质固体金属的小数倍[18]，所以固相是电流优先选择的通道，因而固相内产生的热效应大于相邻的液相，这样可降低界面处的温度梯度，甚至导致固相重熔，所以电场作用下的凝固过程趋于同时凝固、均匀长大，最终的结晶组织比较均匀。

（3）电导率不同的两种材料接触时，接触面的接触电位差产生了附加的热量[19]，这一效应称为Peltier效应，相应的热量称为Peltier热，用QP表示，其大小与通过界面的电流密度i成正比，其比例系数称为Peltier系数。

由于固液两相的电导率存在明显的差异，所以电场作用下在固/液界面上产生的Peltier热使界面上的凸出部分熔化，从而使界面趋于光滑圆整。所以，电场作用促进球形或准球形晶粒的形成，抑制树枝晶生长。

（4）电场作用于熔点附近的凝固系统时，金属液中近程有序原子团的结构、尺寸和数量都会随着电场强度、方向而变化，加剧了结构起伏、能量起伏及温度起伏，这种现象称为起伏效应。所以电场能促进均质形核和细化晶粒。

（5）当有快速变化的强脉冲电流通过金属熔体时，将在熔体内产生快速变化的强脉冲磁场。强脉冲电流和强脉冲磁场之间的相互作用会在金属熔体内产生很强的收缩力，使熔体反复地被压缩，并使熔体在垂直于电流方向作往复运动。这种运动除了碎断树枝晶外，同时还使熔体迅速失去过热、提高形核率，所以脉冲电流越强，细化效果越显著[20]。