近些年来，镁合金由于其密度轻、比强度和比刚度高等优点，可在航空航天和汽车工业上替代钢和铝合金等结构材料以实现减重。镁合金凝固组织对性能有极大的影响，尤其对Mg-Al系合金影响更为突出。近些年来，国内外学者开展了大量Mg-Al系合金凝固组织的细化研究工作，其中电磁搅拌是一种无接触不改变成分的有效细化凝固组织的方法，已在镁合金凝固组织细化中得到应用。但现有电磁搅拌大多是交变磁场，其能量利用率低，搅拌深度浅，对凝固组织的调控能力有限，极大的限制了其在大体积熔体处理中的应用。

为了进一步提高镁合金凝固组织的细化程度，东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室张志强教授课题组采用多个竖直排列的独立线圈和两个具有不同初相位的脉冲电流，提出了一种新的异相位脉冲磁场，并将其应用于镁合金凝固组织调控。采用多线圈通入异相位电流在熔体中产生磁力密度大和磁能利用率高的旋转磁场，改变动量、热量与质量传输；采用脉冲磁场在熔体中产生反复拉压和强大冲击波相结合的强搅拌振荡作用进而改变凝固行为。为大尺寸细晶均质镁合金锭坯规模化制备提供理论及技术支撑。

图1为产生不同磁场对应的不同线圈接法。研究了不同形式磁场对AZ80镁合金凝固组织的影响，直径50 mm×80 mm铸锭的平均晶粒尺寸如图2所示。结果发现，三种形式的磁场均能细化凝固组织，而其中异相位脉冲磁场的细化效果更为显著。针对不同磁场下凝固组织的细化机理，本文通过在熔体边缘处放置过滤网实验，明确了晶粒细化机制，由于模壁上附着形成的晶核向熔体内的迁移增加了结晶核心导致晶粒细化，通过数值模拟也进行了相应的验证。图3给出了同等电流强度下不同磁场在凝固初始阶段熔体内的流动特征，接法I的异相位脉冲磁场无论是在模壁附近还是熔体中心都获得了更大的流动速度。而模壁附近较大的速度有利于冲刷附着在模壁上的晶核，从而使其脱落，游离于熔体中。

图1 线圈的三种连接方式和负载脉冲电流波形：(a)单一脉冲磁场，(b)接法I的异相位脉冲磁场，(c)接法II的异相位脉冲磁场，(d)具有不同初始相位的脉冲电流波形

图2 不同电流强度和磁场下平均晶粒尺寸的变化

图3 不同磁场作用下在凝固初始阶段熔体内的流动特征：(a)无磁场，(b)单一脉冲磁场，(c)接法I的异相位脉冲磁场，(d)接法II的异相位脉冲磁场

构建模型时引入了流体流动的曳力、粘滞阻力、电磁力和重力等因素，采用牛顿第二定律计算了晶核从模壁脱落后的移动轨迹，如图4所示。在无磁场作用下，晶核聚集在模壁附近，无法向内运动，而施加磁场后，有相当部分的晶核从模壁上冲刷下来，并向熔体内运动。当采用接法I的异相位脉冲磁场时，被冲刷下来的晶核数量更多，在向熔体内运动时速度更快，且更为分散。图5为不同磁场作用下熔体凝固初始阶段的温度分布特征，接法I的异相位脉冲磁场强搅拌作用，使熔体具有较低且更为均匀的温度分布，减小游离晶核的重熔，整个熔池内的晶核数量大大增加，极大提高了形核率，从而获得更为细小的凝固组织。

图4 不同磁场作用下晶核迁移运动的仿真结果：(a)无磁场，(b)单一脉冲磁场，(c)接法I的异相位脉冲磁场，(d)接法II的异相位脉冲磁场

图5 不同磁场作用下在凝固初始阶段的温度分布：(a)无磁场，(b)单一脉冲磁场，(c)接法I的异相位脉冲磁场，(d)接法II的异相位脉冲磁场

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