[发明专利]一种外加磁场控制雀斑缺陷的定向凝固方法

摘要

一种外加磁场控制雀斑缺陷的定向凝固方法，对铸件施加匹配的行波磁场控制雀斑这类凝固缺陷，并基于数值模拟技术对行波磁场的强度、方向和合金液相中的流动进行可视化的精确预控。通过可靠的预控分析计算，给出能够精确抑制流动的外置行波磁场的作用的方向和强度，实现减弱或消除固相通道及凝固界面前沿的液相流动，并最终达到消除雀斑缺陷的目的，解决了现有铸件定向凝固过程中液相流动难以控制这个顽固性问题。

主权项

一种外加磁场控制雀斑缺陷的定向凝固方法，其特征在于，具体步骤是：步骤1，确定行波磁场操作参数：通过匹配的行波磁场操作参数调控会产生雀斑缺陷的合金液相内流动；其中，行波磁场操作参数分别为相位角、电流强度和频率；通过Ansys emag电磁分析软件和Fluent流体分析软件对行波磁场作用下的定向凝固全过程进行多物理场耦合的数值模拟计算分析；具体过程是：第一步，生成模拟的会产生雀斑缺陷的合金铸件的网格；第二步，生成行波线圈的网格；第三步，生成定向凝固炉内腔的网格；第四步，输入所述会产生雀斑缺陷的合金铸件的磁物性参数、模壳的磁物性参数和线圈的磁物性参数；第五步，计算行波磁场产生的电磁力；第六步，验证数值模拟中的磁场；所述验证数值模拟中的磁场的过程是，设置实验中的行波磁场装置的电流的数值、频率的数值和相位角的数值与Ansys emag数值模拟中的电流的数值、频率的数值和相位角的分别数值相同，并利用常规的磁场测定仪器‑特斯拉计对空间磁场进行测量；将得到的测量结果与模拟结果进行对比；若误差大于5％，则重新回到第四步并调整计算参数直至误差小于5％后进行第七步；若误差小于5％则进行第七步；所述调整计算参数是以0.1的步长缩小Ansys emag软件计算磁场过程中的松弛因子的值，将缩小后的松弛因子的值输入Ansys emag软件，重复第五步和第六步的利用常规的磁场测定仪器‑特斯拉计对空间磁场进行测量，并将得到的测量结果与模拟结果进行对比；若对比误差小于5％则进行第七步；若对比误差大于5％则继续以0.1的步长调整离散系数的值；将缩小后的离散系数的值输入Ansys emag软件，重复第五步和第六步的利用常规的磁场测定仪器‑特斯拉计对空间磁场进行测量，并将得到的测量结果与模拟结果进行对比；若对比误差小于5％则进行第七步；若对比误差大于5％则重复所述调整计算参数的过程，逐步分别调整松弛因子的值和离散系数的值直至所述测量结果与模拟结果的误差小于5％；第七步，向Fluent软件中输入铸件的热物性参数、模壳的热物性参数以及第五步中得到的电磁力；第八步，确定所述会产生雀斑缺陷的合金定向凝固过程中的边界条件；第九步，设定所述会产生雀斑缺陷的合金铸件的抽拉速率和定向凝固过程的初始条件；第十步，确定使得所述会产生雀斑缺陷的合金液相流动最小的行波磁场参数；采用Fluent流体分析软件计算行波磁场作用下合金液相的流动情况，对比不同行波磁场条件下计算得出的流动情况，并获得使得流动最小的行波磁场参数；在计算行波磁场作用下所述会产生雀斑缺陷的合金液相的流动情况时，通过求解N‑S方程得到不同磁场强度下定向凝固过程中液相流速大小的变化曲线；至此，得到行波磁场操作参数；步骤2，制备模壳；步骤3，装模壳：真空炉膛内由放置在中间位置的隔热板将整个区域分为热区和冷区两部分；热区由石墨加热体和感应线圈组成，冷区由结晶器和所述会产生雀斑缺陷的合金液态金属组成，并将模壳垂直固定在抽拉杆端部；步骤4，抽真空：将机械泵抽真空至4Pa以下，关闭机械阀后充氩气；步骤5，加热熔化合金：将要熔化的单质原材料按国家标准配比并装入熔化坩埚中熔化，得到所述会产生雀斑缺陷的合金；步骤6，加热并保温模壳：打开保温电源的循环水路后开启电源供电；逐步增加电源电压直至温度达到述会产生雀斑缺陷的合金熔化温度后保温；步骤7，安装行波磁场发生器并施加磁场：将行波磁场线圈固定在常规定向凝固设备的感应加热线圈外围，并使感应加热线圈和行波磁场线圈的圆心保证重合；步骤8，浇铸和抽拉：将步骤6中将熔化的会产生雀斑缺陷的合金熔体浇入模壳中；设定抽拉速率为20～80μm/s，随后通过抽拉杆将模壳由热区送入冷区，完成对铅锡合金的抽拉；停止抽拉；停止保温电源和行波磁场电源；保温至少15min后停止齿轮油泵，待石墨套温度低于150℃后停止水泵冷却，得到无产生雀斑缺陷的合金铸件。