洛伦兹力分布对脉冲电磁场下镁合金凝固微观结构及偏析的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Effect of Lorentz Force Distribution on Solidification Microstructure and Segregation of Magnesium Alloys Under Pulsed Electromagnetic Field

研究脉冲磁场分布对AZ91D及AZ91D-1.0La镁合金凝固组织、偏析及力学性能的影响，实验结合数值模拟发现PMFG居中放置可优化晶粒细化，使抗拉强度提升16.86%，延伸率提高48.13%，磁场与稀土元素协同增强性能，并通过调整PMFG位置控制顶缩松和溶质偏析。

　　这项研究聚焦于脉冲磁场在镁合金凝固过程中的作用，特别是通过调整脉冲磁体发生器（PMFG）与熔体的相对位置，来优化凝固结构、减少成分偏析以及提升材料的机械性能。镁合金因其轻质、高强度和良好的铸造性能，广泛应用于航空航天、汽车制造和电子设备等领域。然而，在实际生产过程中，镁合金容易出现缩孔、成分不均和晶粒粗大等问题，这些缺陷会显著影响最终产品的性能和质量。因此，探索有效的手段来改善镁合金的凝固行为，成为材料科学领域的重要课题。

研究采用的材料包括AZ91D镁合金和AZ91D-1.0La稀土镁合金。AZ91D是一种常见的镁合金，主要由镁、铝和锌组成，而AZ91D-1.0La则在其中添加了1.0%的稀土元素镧。稀土元素的加入通常被认为可以改善镁合金的性能，例如增强强度、改善铸造组织和减少成分偏析。然而，稀土元素在凝固过程中的行为也较为复杂，其粗化和聚集可能成为新的微观缺陷来源。因此，如何在凝固过程中有效地控制稀土元素的分布，成为研究的关键。

实验中，研究人员通过改变PMFG与熔体的相对位置，研究了脉冲磁场产生的洛伦兹力在不同位置下的分布特征。洛伦兹力是由电流与磁场相互作用产生的力，它在凝固过程中会对熔体流动和温度分布产生重要影响。实验结果显示，当PMFG放置在熔体的中部时，能够实现最佳的晶粒细化效果，并显著提升材料的机械性能，包括抗拉强度增加16.86%和延伸率提高48.13%。这一发现表明，通过精确控制电磁场的分布，可以在不接触材料的情况下实现高效、绿色的加工，从而提升镁合金的整体性能。

此外，研究还发现，调整PMFG的位置可以改变强制对流的模式，从而有效控制铸锭的顶部缩孔和成分偏析。传统的铸造过程中，由于冷却速率不均，熔体在凝固时容易形成缩孔，尤其是在铸锭的顶部区域。而通过脉冲磁场的干预，可以产生定向的洛伦兹力，促使熔体在凝固过程中形成更均匀的流动，从而减少缩孔的形成。同时，成分偏析是镁合金凝固过程中常见的问题，尤其是在大型铸锭中，不同区域的元素分布可能不一致。而脉冲磁场的干预可以通过改变洛伦兹力的分布，使溶质元素在凝固过程中更均匀地分布，从而减少偏析现象。

在研究中，研究人员还结合了数值模拟方法，分析了洛伦兹力和流动场的分布特征。通过模拟，他们发现当PMFG放置在熔体中部时，主要受到非旋转磁压的影响，而当PMFG放置在熔体底部时，则主要受到旋转洛伦兹力的影响。这一发现为未来如何更精确地控制电磁场的分布提供了理论依据。非旋转磁压能够有效促进溶质的溶解和均匀分布，而旋转洛伦兹力则有助于熔体的对流和晶粒的细化。因此，通过合理设计PMFG的位置，可以在不同的凝固阶段实现对材料性能的优化。

研究还强调了脉冲磁场与稀土元素的协同作用。在AZ91D-1.0La稀土镁合金中，稀土元素的加入不仅能够提升材料的强度，还能改善其铸造组织。通过脉冲磁场的干预，可以进一步优化稀土元素的分布，使其在凝固过程中更加均匀地分散，从而提升材料的整体性能。这种协同效应表明，电磁场的干预不仅可以作为独立的工艺手段，还可以与稀土元素的加入相结合，形成更加高效的材料处理方式。

在实验过程中，研究人员采用了多种技术手段，包括ICP-OES（电感耦合等离子体光谱法）来测定材料的化学成分。实验材料的化学成分被精确控制，以确保研究结果的可靠性。此外，研究人员还利用数值模拟来分析磁场和流动场的分布特征，从而验证实验结果并进一步优化工艺参数。这种实验与模拟相结合的方法，不仅提高了研究的准确性，也为未来的工业化应用提供了可靠的理论支持。

研究还发现，通过调整PMFG的位置，可以有效控制铸锭的顶部缩孔。在未进行磁场处理的情况下，铸锭的顶部缩孔约为5毫米。而当PMFG放置在熔体底部时，顶部缩孔显著增加至约19毫米，这表明磁场的干预可能对缩孔的形成产生复杂的影响。因此，如何在不同的位置设置PMFG，以达到最佳的缩孔控制效果，成为研究的重要内容。实验结果表明，当PMFG放置在熔体的顶部时，可以有效抑制表面缩孔的形成，从而提升铸锭的整体质量。

此外，研究还探讨了脉冲磁场在不同位置下的作用机制。例如，当PMFG放置在熔体的中部时，洛伦兹力的分布较为均匀，能够有效促进晶粒的细化和成分的均匀分布。而当PMFG放置在熔体的底部时，洛伦兹力的分布则更加集中，可能导致局部区域的对流增强，从而影响晶粒的形成。因此，PMFG的位置设置对材料的微观结构和宏观性能具有重要影响。

研究还指出，通过改变PMFG的位置，可以实现对电磁场分布的调控，从而达到多维度的工艺优化。这种调控不仅可以改善材料的微观结构，还可以减少成分偏析和缩孔等铸造缺陷。因此，未来的镁合金加工工艺可能需要结合电磁场的干预，以实现更高质量的材料生产。

最后，研究总结了其主要发现，并强调了未来研究的方向。首先，通过调整PMFG的位置，可以有效控制铸锭的顶部缩孔，提升材料的整体质量。其次，非旋转洛伦兹力在凝固过程中对初生相和次生相的调控效果优于旋转洛伦兹力。第三，脉冲磁场与稀土元素的协同作用可以显著提升AZ91D-1.0La镁合金的抗拉强度。第四，通过优化电磁场的分布，可以有效减少成分偏析，提升材料的均匀性。第五，多物理场的模拟验证了四种涡旋的形成，为未来的工艺优化提供了理论依据。

这项研究不仅为镁合金的加工工艺提供了新的思路，也为其他金属材料的加工提供了借鉴。通过合理设计和应用电磁场，可以在不接触材料的情况下实现高效、绿色的加工，从而提升材料的性能和质量。未来，随着对电磁场作用机制的进一步研究，可能会开发出更加先进的铸造技术，以满足工业生产对高性能材料的需求。