多场耦合调控Al-7wt%Si合金凝固过程流动行为与微观结构的协同优化机制

为解决铝合金铸件内部缺陷和性能不均问题，研究人员通过实验与数值模拟系统研究了直流电场(DC)、复合磁场(SMF+RMF)及其耦合场对Al-7wt%Si合金熔体流动、微观结构和力学性能的影响。研究发现复合场使熔体流速提升至18.31 mm/s，晶粒尺寸从1393 μm细化至515 μm，抗拉强度提高26.7%，为铝合金铸件性能优化提供了新思路。

　　

在航空航天、核工业等高端制造领域，铝合金铸件的内部质量直接决定其服役性能。传统铸造工艺中，由凝固过程引发的缩孔、偏析等缺陷如同"隐形杀手"，严重制约材料性能的提升。尽管通过添加合金元素或纳米颗粒可部分改善微观结构，但这些方法往往带来新的成分不均问题；而单一电磁场又存在作用范围有限、调控精度不足等瓶颈。如何实现大尺寸铸件凝固过程的精准调控，成为困扰材料科学家多年的难题。

辽宁科技大学的研究团队独辟蹊径，将目光聚焦于多物理场耦合这一前沿方向。他们以轻质高强的Al-7wt%Si合金为研究对象，创新性地构建了直流电场(DC)、静磁场(SMF)与旋转磁场(RMF)的复合调控体系，通过实验与数值模拟相结合的方法，系统揭示了多场耦合作用下熔体流动与微观结构的演化规律，相关成果发表在《Journal of Alloys and Compounds》。

研究采用高频感应熔炼制备Al-7wt%Si合金试样，通过粒子图像测速(PIV)技术实时监测不同外场条件下的熔体流动特性，结合有限元模拟解析电磁-流场耦合机制。利用光学显微镜和电子背散射衍射(EBSD)分析微观结构演变，并通过拉伸试验评估力学性能变化。

【Microstructure and tensile properties】
自然凝固试样顶部出现20 mm深的V型缩孔，晶粒尺寸达1393 μm。施加DC后，焦耳热效应减缓表面凝固速率，缩孔深度显著减小。复合场处理使晶粒尺寸降至515 μm，抗拉强度从95.81 MPa提升至121.44 MPa，延伸率同步改善。

【Influence of external fields on melt flow behavior】
数值模拟显示：单一DC使最大流速达4.5 mm/s；引入SMF+RMF后提升至30 mm/s。复合场使55 mm高度截面流速差从20 mm/s降至3.5 mm/s，有效抑制硅偏析。洛伦兹力分布云图证实复合场能扩展流场作用范围。

【Conclusion】
该研究开创性地证实：多场耦合通过协同效应显著优化熔体流动稳定性（流速均匀性提升82.5%），使晶粒细化率高达63%，力学性能同步增强。这一发现不仅为铝合金铸件质量控制提供了新范式，更建立了电磁参数-流场特征-微观结构-力学性能的定量关联模型，对大型复杂铸件的工业化生产具有重要指导价值。

特别值得注意的是，复合场处理使熔体表面收缩改善的机制被首次阐明：DC产生的焦耳热延缓表面凝固，而SMF+RMF诱导的强制对流促进熔体补缩。这种时空协同调控策略为多尺度缺陷控制提供了理论依据。研究团队提出的"电磁场参数匹配准则"已成功应用于某航天铝合金部件的试制，使产品合格率提升40%。