【摘 要】
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近年来变形镁合金的研究和应用得到了广泛关注,与铸造镁合金相比,变形镁合金具有更好的力学性能和更广泛的应用前景,而变形镁合金锭坯制备工序是变形材制备的重要前提,其冶金质量的优劣直接影响材料形变行为以及使役性能。采用传统DC半连续铸造工艺（Direct Chill Casting）制备的镁合金铸造锭坯存在晶粒粗大、组织不均、宏观偏析与微观偏析、氧化夹杂严重等问题,如何通过技术改进提高镁合金锭坯的冶金质
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近年来变形镁合金的研究和应用得到了广泛关注,与铸造镁合金相比,变形镁合金具有更好的力学性能和更广泛的应用前景,而变形镁合金锭坯制备工序是变形材制备的重要前提,其冶金质量的优劣直接影响材料形变行为以及使役性能。采用传统DC半连续铸造工艺（Direct Chill Casting）制备的镁合金铸造锭坯存在晶粒粗大、组织不均、宏观偏析与微观偏析、氧化夹杂严重等问题,如何通过技术改进提高镁合金锭坯的冶金质量始终是人们努力的目标。低频电磁半连续铸造工艺的磁致强制对流作用可通过改变凝固过程的流场与温度场,实现对凝固液穴和糊状区的有效调控,从而达到显著细化凝固组织,抑制宏观偏析,降低裂纹趋势,改善锭坯表面质量等效果,生产实践结果也表明,该工艺也存在大规格锭坯制备作用效果差以及电磁条件与冷却条件难以良好匹配等问题,但只有在合适的电磁工艺参数下才具有显著的细化效果。因此,探索新型电磁场及其发生技术,并开展新型电磁对半连续铸造过程影响的研究,将为镁合金电磁铸造工艺的升级改造提供可借鉴的技术途径,同时也将对进一步提高镁合金锭坯的冶金质量及其稳定性提供可能。相关研究具有重要的理论意义与实用价值。针对低频电磁铸造存在的问题,本文以AZ80镁合金半连续铸造Φ300mm锭坯为研究对象,采用数值模拟的方法,研究了施加单脉冲磁场和差相位脉冲磁场对镁合金半连续铸造过程中的电磁分布特点及其对熔体流场和温度场等宏观物理场影响,同时对传统半连铸以及施加单一谐波磁场和差相位谐波磁场的结果进行了比较研究,同时实验研究了单脉冲磁场对AZ80镁合金Φ300mm半连铸锭坯和差相脉冲磁场对模铸AZ80镁合金Φ85mm锭坯的冶金质量的影响。研究取得如下主要结论:（1）数值模拟结果表明,无论施加单一磁场还是差相（两相）磁场,与等效谐波磁场相比,脉冲磁场均有更大的磁感应强度和电磁力;施加差相脉冲磁场时,磁感应强度和电磁力会均有所降低,但等效谐波磁场则会显著下降。相同电磁条件下,四种类型电磁场下熔体内磁感应强度和电磁力的大小关系分别为:BPMF>BDPMF>BHMF>BDHMF,FPMF>FDPMF>FHMF>FDHMF,其中,施加单脉冲和差相脉冲时最大磁感应强度分别达到了40mT和34mT,最大电磁力分别达到了 0.123N和0.089N,而施加单谐波和差相谐波时则分别为 32mT 和 16mT,0.067N 和 0.023N;（2）与等效谐波磁场相比,脉冲磁场电磁力与轴线具有更大的夹角,即水平分量更大且方向均指向轴心,同时大小呈周期性变化,因此,易于导致熔体振荡效应;从脉冲磁场电磁力在金属熔体中分布情况可见,熔体振荡效应由表及里逐渐减小,但高向基本一致,即可深入至液面以下很深范围;无论脉冲磁场还是等效谐波磁场,差相时均同时具有振荡和强制对流作用,但均比单相时具有更强的强制对流效果,但振荡效果较差;（3）在本研究参数范围内,单脉冲磁场磁感应强度和电磁力大小均随所施加电流强度和占空比的增大而增大;差相脉冲磁场中电磁力变化与单脉冲磁场类似,但磁感应强度在高占空比时出现波动现象;单脉冲和差相脉冲磁场的磁感应强度,在0.4T（周期）内均随频率降低而增加且出现峰值,同时两者对应的峰值差别增加,在0.4T（周期）之后则正好相反且无峰值出现;两种磁场的电磁力均随频率降低而增加且均在频率低于25Hz时敏感性较高,但差相脉冲时,频率对电磁力的影响较小;（4）常规半连续铸造时,熔体横向温度梯度大,液穴深;施加单脉冲磁场时,熔体径向温度分布在靠近中心部位趋于均匀,但靠近锭坯表面附近温度梯度较高。施加差相脉冲磁场时液穴径向温度分布更加均匀,液穴变浅,且随电流强度增加,熔体流速明显增大,横向温度梯度减小,液穴变浅,随频率增加,流速明显减小,但温度分布变化不大,随占空比增加,熔体流速先增加后减小,液穴深度略有增加;（5）对单脉冲磁场半连铸AZ80镁合金Φ300mm锭坯的研究结果表明,未施加磁场时凝固组织粗大,宏观和微观偏析均较大,施加脉冲磁场后锭坯凝固组织明显改善,元素的宏观和微观偏析均减小。低频率时,Al和Mn的宏观偏析减小,但Zn分布差别不大。在本试验参数范围内,电磁条件为I=70A,f=30Hz,D=20%时具有较好的细化效果;（6）对差相脉冲磁场作用下AZ80镁合金Φ85mm模铸锭坯的研究结果表明,差相脉冲磁场可显著改善凝固组织的均匀性且随着电流强度的增加锭坯晶粒尺寸逐渐减小。当电磁条件为I=80A,f=20Hz,D=20%时,晶粒尺寸均匀且细小,晶粒尺寸范围由普通模铸时的600μm～700μm减小到400μm～500μm,频率太低会引起晶粒粗化,频率太高电磁场的细化效果逐渐减弱。
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