Влияние формы полости на эволюцию микроструктуры чистого алюминия в электротехнике.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 3382 (2023) Цитировать эту статью

393 Доступа

Подробности о метриках

Измельчение зерна является важнейшим вопросом при производстве металлических материалов. Одним из новых методов получения равноосных зерен является применение электрического тока к жидкому металлу во время затвердевания. С этой целью в данной статье было исследовано влияние электрического тока на поведение при затвердевании в различных формах полостей пресс-формы. Использовались полости цилиндрической, кубической и кубовидной формы, имеющие одинаковый объем полости. Применяя электрический ток во время затвердевания жидкого алюминия, зерна эффективно измельчались до размера примерно 350 мкм для всех трех типов полостей. Было обнаружено, что циркулирующий поток жидкого алюминия имеет одинаковую интенсивность сдвига во всех трех типах полостей, которая, как известно, достаточно высока (более сотен с-1), чтобы вызвать фрагментацию дендритов с образованием новых зародышей. Дисперсия зародышей на незатвердевшем алюминии проявляется по-разному в зависимости от формы полости, что влияет на конечную форму зоны рафинирования. На долю площади очищенной зоны влияло относительное соотношение времени завершения затвердевания и времени приложения электрического тока. Это исследование даст представление о контроле параметров процесса, когда электрическое затвердевание применяется к реальному продукту сложной формы.

Контроль микроструктуры необходим на основе понимания поведения затвердевания при обработке жидкого металла для получения высокой прочности и хорошей пластичности1,2,3. На поведение жидкого металла при затвердевании влияют различные факторы, такие как состав, тепловой поток в системе затвердевания и качество жидкого металла. В частности, скорость охлаждения во время затвердевания является ключевым параметром для определения структуры затвердевания4,5. Например, изменение размера или формы полости в форме может привести к другой структуре затвердевания из-за изменения скорости охлаждения, даже если материал имеет точно такой же состав сплава. Учет градиента теплового поля, влияющего на структуру затвердевания, также важен для изготовления отливок сложной формы с различными размерами.

Различные методы, такие как химические добавки6,7,8 и методы быстрого охлаждения9,10, использовались для управления структурой затвердевания в литейной промышленности. Химические добавки считаются распространенным методом очистки или модификации фазы. Метод быстрого охлаждения также часто применяется для получения мелкозернистой структуры затвердевания. Однако первый имеет несколько недостатков, а именно, выцветание добавок и нежелательное образование дефектов, таких как поры и интерметаллиды11,12. Последний имеет ограничения по увеличению скорости охлаждения в зависимости от материала формы, формы изделия и рабочей среды. Для преодоления этих недостатков была внедрена обработка жидкого металла внешней энергией, в том числе механической вибрацией13,14,15, электромагнитным перемешиванием16,17,18,19 и ультразвуковой вибрацией20,21,22, которые могут быть альтернативными методами получения механических свойства, отвечающие требованиям конечной продукции. Недавно был предложен метод литья с использованием электрического тока в качестве внешнего источника энергии23,24,25,26. В этом методе электрический ток подается непосредственно на жидкий металл через электроды во время затвердевания. Известно, что измельчение зерна или модификация фазы является основным эффектом при воздействии электрического тока на жидкий металл. В частности, измельчение зерна было подтверждено многими предыдущими исследованиями27,28,29 начиная с 1985 года, когда об этом методе было впервые сообщено30. В различных металлах, включая сплавы Pb–Sn31,32,33 и сплавы Cu–Bi–Sn34,35, зерна эффективно измельчались путем применения электрического тока во время затвердевания. Например, размер зерна 1700 мкм в литом сплаве Sn-Bi был уменьшен примерно до 400 мкм за счет применения электрического тока во время затвердевания. В настоящее время исследования по измельчению зерна алюминиевых сплавов привлекают внимание в связи с растущим спросом на легкие материалы. Размер зерна чистого алюминия (Al)27,28,29,36 и α-Al в сплавах Al–Si37,38 значительно уменьшается при приложении электрического тока во время затвердевания. Райгер и др.29 сообщили, что размер зерна чистого алюминия уменьшился примерно на 82% при применении электрического тока по сравнению с без применения электрического тока.