低压脉冲磁场凝固的基础研究

本项目对低压脉冲磁场凝固过程开展系统深入的研究，重点研究低压脉冲磁场作用凝固过程及其作用机制，对组织细化和均匀化要求高的的硅钢和细晶高温合金进行研究，通过研究脉冲磁场对熔体的作用、形核、界面演化和枝晶生长、原子迁移和元素偏析、第二相析出等规律，脉冲磁场参数和热参数的交互作用与凝固组织的关系，掌握脉冲磁场对特种金属材料凝固组织及力学性能的影响规律，解决脉冲磁场控制凝固的关键技术基础问题，为脉冲磁场在金属凝固过程中的应用提供理论依据，形成低压脉冲磁场凝固新技术，满足国民经济发展对于高性能细晶均质材料的制备需求，并发展和完善电磁场作用下的凝固理论。

本项目对低压脉冲磁场（LVPM）凝固过程开展系统深入的研究，重点研究LVPM作用凝固过程及其作用机制，对组织细化和均匀化要求高的硅钢和细晶高温合金进行研究，通过研究LVPM对熔体的作用、形核、界面演化和枝晶生长、原子迁移和元素偏析、第二相析出等规律，LVPM参数和热参数的交互作用与凝固组织的关系，掌握LVPM对特种金属材料凝固组织及力学性能的影响规律。.通过研究，解决了LVPM作用下合金熔体的运动形式和规律、LVPM作用下原子的迁移方式和规律、LVPM参数和凝固热参数的交互作用与凝固过程组织控制等LVPM控制凝固的关键技术基础问题，为LVPM在金属凝固过程中的应用提供了理论依据，并形成了LVPM凝固新技术。研究获得了以下创新性成果：.（1）建立了LVPM作用下金属凝固的能量、动量和质量传递的2D和3D有限元模型，模拟计算获得了LVPM作用于合金熔体的磁感应强度和电磁力以及焦耳热和熔体流动规律，发现在LVMP作用下熔体同时产生电磁振荡和双回流对流这一特点。.（2）建立了LVPM作用下小润湿角下形核模型和晶核增殖模型，推导出晶核的游离概率函数、存活概率函数和有效形核数目表达式；提出LVMPF激发晶核增殖的晶粒细化机理和枝晶球化机理；模拟并实验验证了枝晶球化和细化的凝固组织形成过程。.（3）建立了溶质原子微观电磁迁移模型，推导出脉冲磁场凝固的溶质有效分配系数公式，理论推导证明LVMPF使溶质有效分配系数减小；实验获得LVPM对溶质原子迁移和分布以及溶质原子固溶的影响规律，发现LVPM作用对于合金元素的宏/微观偏析规律和对于分配系数不同的溶质元素具有不同偏析抑制效应的重要现象；.（4）研究表明LVPM对具有不同类型相变的合金均具有细化效应，对匀晶转变合金和对包晶合金的初生相都具有细化作用。发现LVMPF影响二次析出相析出；建立了奥氏体中二次析出相的脉冲磁场形核和长大模型，并实现了二次相析出过程的模拟计算和实验验证。.（5）通过系统实验研究，获得了LVPM参数、施加方式和凝固热参数等对硅钢和镍基高温合金凝固组织和晶粒细化的影响规律，获得了LVMPF凝固优化工艺参数；通过LVMPF控制凝固提高了材料的拉伸性能并改善了塑形变形性能。.（6）研发成功LVPM真空细晶凝固和LVPM半连续铸造新技术以及相应装置，实现了高温合金铸锭、复杂精密薄壁铸件以及镁合金铸锭的晶粒细化。