先进制造技术电磁约束成形技术论文_先进制造技术论文21

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电磁约束成形技术

李康

机械制造机器自动哈1107班 学号：0806111122 摘要 :电磁约束成形是一种无容器金属材料处理加工技术 ,它具有无器壁污染、短流程等优点。分析了液态金属电磁约束成形技术的原理、特点及其发展现状。指出电磁约束成形定向凝固技术集金属材料的加热熔化、无接触约束成形及组织定向凝固于一体 ,特别适合于高熔点、易氧化、高活性的特种合金坯件的无污染制备。

关键词 :冷坩埚感应熔炼;电磁悬浮;电磁铸造;电磁约束成形定向凝固 研究现状：液态金属电磁约束成形是将电磁场用于金属材料的熔化精炼和约束成形金属熔体等加工过程 ,以提供一个高纯净、低污染、短流程的材料制备工艺,是近年来材料、冶金领域引起广泛关注的技术。它主要包括冷坩埚感应熔炼技术、电磁悬浮熔炼技术、电磁铸造技术和电磁约束成形定向凝固技术。目前的研究表明 ,电磁约束成形定向凝固技术是一种完全不同于其他三种电磁成形方法的新的材料制备技术 ,在高熔点、易氧化、高活性特种合金的成形制备中明显地显示出其优势和先进性。研究液态金属电磁约束成形 ,对于丰富和发展特种合金短流程、无(少)污染成形制备技术有重要意义。工作原理及特点： 冷坩埚感应熔炼技术

冷坩埚感应熔炼技术是一种利用电磁场将金属材料在坩埚内悬浮并加热熔化的一种新的熔炼技术,其基本原理是电流通过感应线圈在水冷铜坩埚和金属内部产生涡流 ,由于涡流之间的电磁力相互排斥 ,使金属材料悬浮起来 ,并加热熔化。

冷坩埚感应熔炼有以下特点: ①在无坩埚污染环境下对材料进行熔炼和处理;②熔体在感应加热过程中被电磁搅拌 ,提高了金属熔体温度和成分的均匀性;③坩埚不受熔炼金属熔点和活泼性的影响 ,坩埚寿命长。冷坩埚技术特别适用于熔炼活泼金属、难熔金属、高纯金属以及放射性材料等。但冷坩埚技术仍然存在着自身难以克服的缺点:仅仅是一种熔炼技术 ,在铸件成形和转包过程中不可避免带来污染 ,设备一次性投资大、电效率低 ,约束成形的形状简单等。在一定程度上限制了其大规模的工业应用。2 电磁悬浮熔炼技术

电磁悬浮(Electromagnetic Levitation , 简 称EML)技术是利用通入线圈的交变电流以及金属熔体的感应电流在空间产生电磁力将金属悬浮在空间 ,与周围无任何接触的条件下进行感应加热熔化、过热熔炼等。利用电磁场对金属进行悬浮是 Muck1923 年提出的,首次的实验 Okre 等人 1952 年完成。随后陆续出现了许多种线圈装置 ,以便能悬浮起更多的金属。

EML 技术的主要优点是无污染、熔体均匀、加热熔化速度快以及表面气液相平衡速度快等。它可用于制备高纯、高活性、放射性和高熔点材料 ,也可以在地面模拟太空条件 ,进行各种微重力研究 ,测量物质的一些热物性参数。EML 技术的另一重要用途是净化液态金属以获得大的过冷度 ,在深过冷的基础上进行快速冷却 ,凝固后制成微晶、纳米晶、准晶或非晶态金属。

3电磁铸造技术

电磁铸造(Electromagnetic Casting ,简称 EMC)技术是 20 世纪 60 年代由原苏联 Getselev Z.N.发明的。其原理是当感应器中通入交变电流 ,在感应器内产生交变电磁场 ,交变磁场与金属熔体内的感应电流相互作用形成指向熔体内部的电磁压力 ,当电磁压力与熔体的静压力平衡后 ,金属熔体获得稳定的截面形状。

在 EMC 中由于金属熔体是在自由表面状态下凝固 ,而且冷却介质直接作用于金属表面产生强烈的冷却效果 ,加上金属液的冲刷作用使铸锭组织发生很大变化 ,铸锭表面质量显著 提高。EMC 技术虽然实现了非接触的连续铸坯 ,在冶金工业起了划时代的作用 ,但目前尚只能用于铝合金锭在大气下的约束成形。而且熔体在凝固成形过程中温度和组织均难于调节 4 电磁约束成形定向凝固技术

电磁约束成形定向凝固技术是西北工业大学傅恒志等人[20]在综合电磁悬浮与电磁铸造等无坩埚熔炼和无模成形各自的优点 ,并结合超高梯度定向技术而提出的新型材料制备技术。它将电磁场对材料的加热和电磁力作用这两种效应耦合起来 ,在对材料加热熔化的同时施加约束力 ,约束合金液的形状 ,可进行材料的无坩埚熔炼、无铸型成形与凝固。同时 ,冷却介质与样件表面直接接触 ,可以更加灵活控制冷却速率 ,从而控制凝固过程与凝固组织。电磁成形定向凝固技术的特点是:真空下在同一应器系统中 ,同时完成对金属材料的加热熔化和无接触约束成形及组织定向凝固的控制。它特别适用于高熔点、易氧化、高活性的特种合金的多种截面形状、中小尺寸坯件的无污染熔化、成形和凝固组织控制及其短流程制备。

虽然电磁约束成型技术已经取得了一定的进步, 但是还是存在一些问题, 如: 复杂形状成型技术涉及到三维高频电磁场, 流场, 温场的计算及稳定性分析, 相关理论还需要更深入的研究, 而且如何进行复杂形状成型的自动控制仍然是我们需要的问题。

发展趋势：随着研究的深入, 电磁技术在材料加工过程中必将存在更广泛的应用空间, 对传统电磁场应用方式的改进, 电磁场多种方式的施加, 电磁场与其它技术的有效结合已经成为电磁技术在材料成型领域发展的重要趋势。在正视国内外研究水平差距的同时, 一方面, 我们应该密切关注世界发展动态, 另一方面, 我们应该立足本国的发展特点,走出有中国特色的科研之路。参考文献

[1] 傅恒志 ,沈

军 ,郝启堂 ,等.镍基高温合金真空电磁约束成形与定向凝固[J ].中国有色金属学报 ,2002 ,12(6):108121086.[2] 陈瑞润 ,丁宏升 ,毕维生 ,等.电磁冷坩埚技术及其应用 [J ].稀有金属材料与工程 ,2005 ,34(4):5102513.[3] 浅井茲生 ,佐佐健介.冷坩埚工艺熔炼法[J ].工业加热 ,1991 ,101(3):43.[4] Reymond J.R.Large Scale Cold Crucible Melting ofTitaniun and Its Alloys [ A ].Titanium’95 , Science andTechnology[C].New York ,1995 :146221469.[5] Francis Durand.Electromagnetic continuous pullingproce compared to current castings proce with respectto solidification characteristics[J ].Materials Science andEngineering A , 2002 ,(280 A):2082213.[6] 钟晓燕 ,陈佳圭.空间电磁悬浮技术的发展状况[J ].物理 ,1996 ,25(9): 5652570.[7] Muck.Electromagnetic Levitation[D].German Patent ,No.422004 ,1923.[8] 韩秀君.亚稳金属熔体的热物理性质及其快速凝固研究 [D].西安 :西北工业大学 ,2002.