CN105964990A - 一种外加磁场控制雀斑缺陷的定向凝固方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
本发明涉及定向凝固技术，具体是一种外加磁场控制雀斑缺陷的定向凝固方法。
背景技术
一些金属和半导体材料均采用定向凝固技术进行加工制造是由于该方法能够使得凝固组织沿特定方向生长。这些定向排列的晶粒消除了横向的晶界，从而使得一些半导体材料的光电转换效率和金属材料的强度、蠕变以及持久性均产生大幅提升。然而在定向凝固过程中经常会出现一些凝固缺陷，如，晶体生长不挺直，组织成份不均匀等。这些缺陷一定程度上影响了材料的综合性能。此外，还有一类名为雀斑的凝固缺陷严重的影响了金属材料的综合力学性能，例如，当这类缺陷出现在单晶高温合金涡轮叶片上时会直接导致叶片的报废。雀斑这类缺陷往往出现在多组元的合金中，如，铅锡合金、高温合金等，而在这类合金的定向凝固过程中固相和液相之间普遍存在一个固液两相共存的区域，即两相区。在两相区中，靠近固相的区域排出大量的溶质元素，密度比靠近液相的区域低，因此，产生了作用在液相上的浮力。当液相浮力大于粘滞力时，导致在固相的通道间的液相产生流动，这种通道中流动的高浓度的溶质在通道内部最终凝固，在铸件中形成“雀斑”这类凝固缺陷。
目前公开的一些方法能够减少甚至消除晶体生长不挺直，组织成份不均匀、雀斑等凝固缺陷。如，通过外加磁场来实现对材料凝固过程的控制，其中低频行波磁场被运用于半导体和金属材料加工和制备的过程中。在专利号为CN201110007198.2的发明专利中，公开了一种有行波磁场发生器的定向凝固装置。该发明通过外部施加行波磁场在锡镉合金中产生洛仑兹力并直接作用于生长的晶体上，从而达到改变晶体生长的目的；而在专利号为CN201210059757.9的发明专利中，公开了一种提高直拉硅单晶电阻率均匀性的行波磁场法。该发明可以通过行波磁场产生的洛仑兹力有效抑制高浓度掺杂剂的向下沉积问题，达到改善了组织成份的均匀性的目的，从而提高直拉重掺硅单晶的径向电阻率均匀性；在申请号为201610345111.5的发明创造中，提出了一种消除横截面突变的叶片类定向凝固铸件中雀斑的方法，该方法用一定形状尺寸的石墨块取代铸件横截面突变区域局部的模壳材料，通过石墨块的激冷作用，减小两相区中固相的枝晶间距，增大了固相通道对液相流动的阻力，从而减弱或消除了通道间的液相流动，最终降低或消除了雀斑。但该方法在激冷中减弱或消除了雀斑的同时会引入新的杂晶，从而降低了铸件的综合力学性能，在铸件上形成了杂晶缺陷。
近年来，国内外学者研究发现行波磁场不仅能够控制合金中晶体的生长，提高组织成份均匀性，还能够影响如单晶硅、铝铜合金、铅锡合金、高温合金等液相中的流动。本发明专利以这些理论结果为基础，提出了利用行波磁场在液态金属中产生洛仑兹力，来抵消两相区内的固相通道中及凝固界面前沿的液相上的浮力，抑制两相区中的通道流动，避免高浓度元素富集区的形成，从根本上达到消除雀斑缺陷的目的。在上述过程中，当行波磁场强度过大时，其产生的洛仑兹力会使得液相中引入新的流动，但当行波磁场过小，其产生的洛仑兹力又不能完全抵消浮力。因此为了达到消除雀斑的目的，需要对行波磁场方向和强度的控制提出更为精确的要求。此外，液相中的流动在现有的实验条件下并不能直接进行观测。
发明内容
为克服现有技术中存在的在激冷中减弱或消除了雀斑的同时会引入新的杂晶，从而降低了铸件的综合力学性能，在铸件上形成了杂晶缺陷的不足，本发明提出了一种外加磁场控制雀斑缺陷的定向凝固方法。
本发明的具体步骤是：
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。
所述会产生雀斑缺陷的合金的热物性参数和模壳的热物性参数均是指该铸件在凝固过程中的导热率、粘度、密度、凝固潜热、热膨胀系数和模壳在不同温度下的导热率。
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。
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是指对该所述会产生雀斑缺陷的合金铸件的加热温度和抽拉速率。所述的加热温度即为所述会产生雀斑缺陷的合金的熔化温度；所述的抽拉速率为90～120μm/s。
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。所述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。计算中，当所述合金为铅锡合金时，电流设定为10～22A、频率设定为20～50Hz，磁场强度为10mT；当所述合金为镍基高温合金时，电流设定为22～27A、频率为50Hz，磁场强度为24～28.5mT。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。当所述合金为铅锡合金时，铅原材料和锡原材料按铅：锡＝67:33的质量分数比。
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***，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。
本发明的核心是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。
本发明通过外置行波磁场抑制固液界面前沿的流动，从而有效的降低了产生偏析通道的几率，避免局部区域雀斑缺陷的形成。在此过程中基于多物理场耦合的数值模拟技术对行波磁场的强度和合金液相中的流动进行可视化的预控，以提升抑制缺陷的效果。从文献检索可知,目前国内外尚未见到通过行波磁场来控制雀斑缺陷的报道。
对本发明得到的试样进行宏观腐蚀后，可以看到使用加载匹配的向下的行波磁场后铸件内部未出现雀斑这类缺陷。说明上述工艺可以作为控制定向凝固过程中雀斑缺陷形成的方法。
本发明适用于铅锡合金或CMSX-4或CMSX-10或CM247LC或DZ125或DZ411或DD6或DD9或DD98或DD10或PWA1484或ReneN5或ReneN6镍基高温合金。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明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。该方法通过外置行波磁场来调控液相流动，从而有效的降低了该处产生偏析通道的几率，避免了局部区域形成雀斑等缺陷，保证了无(少)雀斑缺陷的定向晶或单晶铸件的制造。基于有限元分析的结果对行波磁场的操作参数进行可视化预控，因此该工艺过程比传统工艺更为精确。在电磁场的模拟结果中，如图2a所示当相位角排序为-120°、0°、-240°，行波磁场在液相中产生向上的洛仑兹力；如图2b所示当相位角排序为0°、-120°、-240°，行波磁场在液相中产生向下的洛仑兹力。在流场的模拟结果中，如图3a所示当施加向上的行波磁场时，固液界面前沿的自然对流强度随着磁场强度增强而加剧。如图3b所示当施加向下的行波磁场时，磁场强度在10mT以下时固液界面前沿的自然对流内极大的减弱。如图4d和4e所示，当施加10mT的向下行波磁场时，铸件内均未出现雀斑缺陷。然而，当施加不同强度的向上的行波磁场时，铸件中的雀斑缺陷却并不会消除。图4b和图4c分别显示的是加载8mT和15mT的向上行波磁场的铸件宏观组织图，发现在铸件边缘处同样产生了雀斑缺陷。说明在定向凝固设备中外置不匹配的行波磁场，铸件内部的雀斑缺陷并不会消除。
附图说明
图1是内置行波磁场发生器的定向凝固装置的结构示意图；
图2是通过数值模拟方法获得的行波磁场作用下试样内的洛仑兹力分布矢量图；其中：图2(a)是向上的洛仑兹力分布，图2(b)是向下的洛仑兹力分布；
图3通过数值模拟方法获得的不同强度行波磁场作用下界面前沿的平均流速变化曲线：其中：图3(a)是向上的洛仑兹力，图3(b)是向下的洛仑兹力；
图4是不同条件下凝固界面的宏观组织；其中：a.自然对流，b.I＝10A，f＝50Hz,B＝10mT,相位角排序-120°、0°、-240°c.I＝20A，f＝50Hz,B＝24mT，相位角排序-120°、0°、-240°，d.I＝10A，f＝50Hz,B＝10mT，相位角排序0°、-120°、-240°,e.I＝18A，f＝30Hz,B＝10mT，相位角排序0°、-120°、-240°；图中I为电流，f为频率，B为磁场强度。
图5是本发明的流程图。附图中：
1.行波磁场线圈；2.感应加热线圈；3.雀斑缺陷。
具体实施方式
实施例一
本实施例是一种控制雀斑缺陷的定向凝固方法，具体步骤如下：
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。本实施例中，所述会产生雀斑缺陷的合金为铅锡合金。
确定行波磁场操作参数的具体过程是：
第一步，生成模拟的铸件的网格。采用常规的四面体网格划分方法进行铸件的网格划分，得到该铸件的网格模型。检查所述铸件的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积或网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行铸件的网格划分；若无错误则进行第二步；
第二步，生成行波线圈的网格。采用常规的四面体网格划分方法进行行波线圈的网格划分，得到该行波线圈的网格模型。检查所述行波线圈的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积或网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行行波线圈的网格划分；若无错误则进行第三步；
第三步，生成定向凝固炉内腔的网格。在制作内腔时，采用常规的四面体网格划分方法进行内腔的网格划分，得到该内腔的网格模型。检查所述内腔的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积或网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行内腔的网格划分；若无错误则进行第四步；
第四步，向Ansys emag软件中输入铸件的磁物性参数、模壳的磁物性参数和线圈的磁物性参数，所述的磁物性参数是通过常规实验方法得到的该铸件在凝固过程中的相对磁导率、磁导率和电阻率。Ansys emag软件计算磁场的过程中的松弛因子和离散系数对磁场的模拟计算结果有很大影响，首先采用默认值。
第五步，通过Ansys emag软件计算行波磁场产生的电磁力，并通过txt格式输出。
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，所述铸件的热物性参数和模壳的热物性参数均是指该铸件在凝固过程中的导热率、粘度、密度、凝固潜热、热膨胀系数和模壳在不同温度下的导热率。所述铸件的热物性参数和模壳的热物性参数通过常规实验方法得到。
第八步，确定定向凝固过程中的边界条件。所述的边界条件包括模壳与铸件之间的传热系数、所述定向凝固炉内腔的发射率以及该定向凝固炉内腔不同区域的温度。所述的传热系数的值是指在稳定传热条件下，该铸件与模壳界面两侧空气温差为1℃时，1s内通过1m2面积传递的热量，该传热系数的单位是W/m2·℃。所述定向凝固炉内腔的不同区域是指该定向凝固炉内腔的加热区、隔热板区和冷却区；
第九步，设定铸件的抽拉速率和定向凝固过程的初始条件。所述的初始条件是指对铸件的加热温度和抽拉速率。所述的加热温度即为所述铅锡合金的熔化温度；所述的抽拉速率为20μm/s。
第十步，确定使得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。所述在计算行波磁场作用下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。设定计算电流为10A、频率为50Hz；行波磁场的三匝线圈的相位角由上至下排序为0°、-120°、-240°时，行波磁场在合金液相中产生的洛伦兹力方向向下，且磁场强度为10mT。此时能够显著的抑制流动。至此，得到行波磁场操作参数。
步骤2，制备模壳：基于熔模铸造用模壳制备的常规方法和铸件的几何尺寸制造模壳。
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，而冷区由结晶器和液态金属组成，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：将要熔化的铅原材料和锡原材料按铅：锡＝67:33的质量分数比装入熔化坩埚中，打开感应加热电源的循环水路并开启电源熔化，得到铅锡合金。
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铅锡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1固定在常规定向凝固设备的感应加热线圈2***，并保证感应加热线圈2和行波磁场线圈1的圆心保证重合。施加行波磁场使用的变频电源共有3个输出端口，分别是输出端口a、输出端口b和输出端口c；各输出端口之间的相位差为120°。使用示波器检测出所述3个端口的相位角，则有输出端口a为0°，输出端口b为-120°，输出端口c为-240°。将三匝线圈分别接入变频电源上中下三个端口，能够得到不同方向的行波磁场。本实施例中将所述的三个输出端口分别接入上、中、下三匝行波磁场线圈，能够在铅锡合金液相内产生方向向下的洛伦兹力。开启磁场专用变频电源，调整控制面板上的旋钮以获得电流为10A和频率为50Hz，同时还需要打开齿轮油泵对行波磁场发生器进行冷却。
步骤8，浇铸和抽拉：将步骤6中将熔化的铅锡合金熔体浇入模壳中。设定抽拉速率为20μm/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，得到铅锡合金铸件。
观察本实施例得到的铅锡合金铸件宏观组织图，能够看到施加特定方向和强度行波磁场的铸件中未出现雀斑这类凝固缺陷。对比图4a和4d发现，在未施加行波磁场的条件下在铸件中心处产生了雀斑缺陷；而在给定行波发生器电流为10A，频率为50Hz以及三匝线圈的相位角由上至下排序为0°、-120°、-240°时，铸件中未出现雀斑这类凝固缺陷。
实施例二
本实施例是一种控制雀斑缺陷的定向凝固方法，具体步骤如下：
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。本实施例中，所述会产生雀斑缺陷的合金为铅锡合金。
确定行波磁场操作参数的具体过程是：
第一步，生成模拟的铸件的网格。采用常规的四面体网格划分方法进行铸件的网格划分，得到该铸件的网格模型。检查所述铸件的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积或网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行铸件的网格划分；若无错误则进行第二步；
第二步，生成行波线圈的网格。采用常规的四面体网格划分方法进行行波线圈的网格划分，得到该行波线圈的网格模型。检查所述行波线圈的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积或网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行行波线圈的网格划分；若无错误则进行第三步；
第三步，生成定向凝固炉内腔的网格。在制作内腔时，采用常规的四面体网格划分方法进行内腔的网格划分，得到该内腔的网格模型。检查所述内腔的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积或网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行内腔的网格划分；若无错误则进行第四步；
第四步，向Ansys emag软件中输入铸件的磁物性参数、模壳的磁物性参数和线圈的磁物性参数，所述的磁物性参数是通过常规实验方法得到的该铸件在凝固过程中的相对磁导率、磁导率和电阻率。Ansys emag软件计算磁场的过程中的松弛因子和离散系数对磁场的模拟计算结果有很大影响，首先采用默认值。
第五步，通过Ansys emag软件计算行波磁场产生的电磁力，并通过txt格式输出。
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，所述铸件的热物性参数和模壳的热物性参数均是指该铸件在凝固过程中的导热率、粘度、密度、凝固潜热、热膨胀系数和模壳在不同温度下的导热率。所述铸件的热物性参数和模壳的热物性参数通过常规实验方法得到。
第八步，确定定向凝固过程中的边界条件。所述的边界条件包括模壳与铸件之间的传热系数、所述定向凝固炉内腔的发射率以及该定向凝固炉内腔不同区域的温度。所述的传热系数的值是指在稳定传热条件下，该铸件与模壳界面两侧空气温差为1℃时，1s内通过1m2面积传递的热量，该传热系数的单位是W/m2·℃。所述定向凝固炉内腔的不同区域是指该定向凝固炉内腔的加热区、隔热板区和冷却区；
第九步，设定铸件的抽拉速率和定向凝固过程的初始条件。所述的初始条件是指对铸件的加热温度和抽拉速率。所述的加热温度即为所述铅锡合金的熔化温度；所述的抽拉速率为35μm/s。
第十步，确定使得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。所述在计算行波磁场作用下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。设定计算电流为22A、频率为20Hz；行波磁场的三匝线圈的相位角由上至下排序为0°、-120°、-240°时，行波磁场在合金液相中产生的洛伦兹力方向向下，且磁场强度为10mT。此时能够显著的抑制流动。至此，得到行波磁场操作参数。
步骤2，制备模壳：基于熔模铸造用模壳制备的常规方法和铸件的几何尺寸制造模壳。
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，而冷区由结晶器和液态金属组成，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：将要熔化的铅原材料和锡原材料按铅：锡＝67:33的质量分数比装入熔化坩埚中，打开感应加热电源的循环水路并开启电源熔化，得到铅锡合金。
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铅锡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1固定在常规定向凝固设备的感应加热线圈2***，并保证感应加热线圈和行波磁场线圈1的圆心保证重合。施加行波磁场使用的变频电源共有3个输出端口，分别是输出端口a、输出端口b和输出端口c；各输出端口之间的相位差为120°。使用示波器检测出所述3个端口的相位角，则有输出端口a为0°，输出端口b为-120°，输出端口c为-240°。将三匝线圈分别接入变频电源上中下三个端口，能够得到不同方向的行波磁场。本实施例中将所述的三个输出端口分别接入上、中、下三匝行波磁场线圈，能够在铅锡合金液相内产生方向向下的洛伦兹力。开启磁场专用变频电源，调整控制面板上的旋钮以获得电流为22A和频率为20Hz，同时还需要打开齿轮油泵对行波磁场发生器进行冷却。
步骤8，浇铸和抽拉：将步骤6中将熔化的铅锡合金熔体浇入模壳中。设定抽拉速率为35μm/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，得到铅锡合金铸件。
观察本实施例得到的铅锡合金铸件宏观组织图，能够看到施加特定方向和强度行波磁场的铸件中未出现雀斑这类凝固缺陷。对比图4a和4e发现，在未施加行波磁场的条件下在铸件中心处产生了雀斑缺陷；而在给定行波发生器电流为22A，频率为20Hz以及三匝线圈的相位角由上至下排序为0°、-120°、-240°时，铸件中未出现雀斑这类凝固缺陷。
实施例三
本实施例是一种控制雀斑缺陷的定向凝固方法，具体步骤如下：
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。本实施例中，所述会产生雀斑缺陷的合金为铅锡合金。
确定行波磁场操作参数的具体过程是：
第一步，生成模拟的铸件的网格。采用常规的四面体网格划分方法进行铸件的网格划分，得到该铸件的网格模型。检查所述铸件的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积或网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行铸件的网格划分；若无错误则进行第二步；
第二步，生成行波线圈的网格。采用常规的四面体网格划分方法进行行波线圈的网格划分，得到该行波线圈的网格模型。检查所述行波线圈的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积或网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行行波线圈的网格划分；若无错误则进行第三步；
第三步，生成定向凝固炉内腔的网格。在制作内腔时，采用常规的四面体网格划分方法进行内腔的网格划分，得到该内腔的网格模型。检查所述内腔的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积或网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行内腔的网格划分；若无错误则进行第四步；
第四步，向Ansys emag软件中输入铸件的磁物性参数、模壳的磁物性参数和线圈的磁物性参数，所述的磁物性参数是通过常规实验方法得到的该铸件在凝固过程中的相对磁导率、磁导率和电阻率。Ansys emag软件计算磁场的过程中的松弛因子和离散系数对磁场的模拟计算结果有很大影响，首先采用默认值。
第五步，通过Ansys emag软件计算行波磁场产生的电磁力，并通过txt格式输出。
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，所述铸件的热物性参数和模壳的热物性参数均是指该铸件在凝固过程中的导热率、粘度、密度、凝固潜热、热膨胀系数和模壳在不同温度下的导热率。所述铸件的热物性参数和模壳的热物性参数通过常规实验方法得到。
第八步，确定定向凝固过程中的边界条件。所述的边界条件包括模壳与铸件之间的传热系数、所述定向凝固炉内腔的发射率以及该定向凝固炉内腔不同区域的温度。所述的传热系数的值是指在稳定传热条件下，该铸件与模壳界面两侧空气温差为1℃时，1s内通过1m2面积传递的热量，该传热系数的单位是W/m2·℃。所述定向凝固炉内腔的不同区域是指该定向凝固炉内腔的加热区、隔热板区和冷却区；
第九步，设定铸件的抽拉速率和定向凝固过程的初始条件。所述的初始条件是指对铸件的加热温度和抽拉速率。所述的加热温度即为所述铅锡合金的熔化温度；所述的抽拉速率为80μm/s。
第十步，确定使得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。所述在计算行波磁场作用下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。设定计算电流为15A、频率为36.5Hz；行波磁场的三匝线圈的相位角由上至下排序为0°、-120°、-240°时，行波磁场在合金液相中产生的洛伦兹力方向向下，且磁场强度为10mT。此时能够显著的抑制流动。至此，得到行波磁场操作参数。
步骤2，制备模壳：基于熔模铸造用模壳制备的常规方法和铸件的几何尺寸制造模壳。
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，而冷区由结晶器和液态金属组成，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：将要熔化的铅原材料和锡原材料按铅：锡＝67:33的质量分数比装入熔化坩埚中，打开感应加热电源的循环水路并开启电源熔化，得到铅锡合金。
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铅锡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1固定在常规定向凝固设备的感应加热线圈2***，并保证感应加热线圈2和行波磁场线圈1的圆心保证重合。施加行波磁场使用的变频电源共有3个输出端口，分别是输出端口a、输出端口b和输出端口c；各输出端口之间的相位差为120°。使用示波器检测出所述3个端口的相位角，则有输出端口a为0°，输出端口b为-120°，输出端口c为-240°。将三匝线圈分别接入变频电源上中下三个端口，能够得到不同方向的行波磁场。本实施例中将所述的三个输出端口分别接入上、中、下三匝行波磁场线圈，能够在铅锡合金液相内产生方向向下的洛伦兹力。开启磁场专用变频电源，调整控制面板上的旋钮以获得电流为15A和频率为36.5Hz，同时还需要打开齿轮油泵对行波磁场发生器进行冷却。
步骤8，浇铸和抽拉：将步骤6中将熔化的铅锡合金熔体浇入模壳中。设定抽拉速率为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，得到铅锡合金铸件。
实施例四
本实施例是一种控制雀斑缺陷的定向凝固方法，具体步骤如下：
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。所述会产生雀斑缺陷的合金为镍基高温合金中的CMSX-4合金或CMSX-10或CM247LC或DZ125或DZ411或DD6或DD9或DD98或DD10或PWA1484或ReneN5或Rene N6。
本实施例中，以CMSX-4镍基高温合金为例加以描述。
确定行波磁场操作参数的具体过程是：
第一步，生成模拟的CMSX-4合金铸件的网格。采用常规的四面体网格划分方法进行CMSX-4合金铸件的网格划分，得到该CMSX-4合金铸件的网格模型。检查所述CMSX-4合金铸件的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积或网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行CMSX-4合金铸件的网格划分；若无错误则进行第二步；
第二步，生成行波线圈的网格。采用常规的四面体网格划分方法进行行波线圈的网格划分，得到该行波线圈的网格模型。检查所述行波线圈的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积或网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行行波线圈的网格划分；若无错误则进行第三步；
第三步，生成定向凝固炉内腔的网格。在制作内腔时，采用常规的四面体网格划分方法进行内腔的网格划分，得到该内腔的网格模型。检查所述内腔的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积或网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行内腔的网格划分；若无错误则进行第四步；
第四步，向Ansys emag软件中输入铸件的磁物性参数、模壳的磁物性参数和线圈的磁物性参数，所述的磁物性参数是通过常规实验方法得到的该铸件在凝固过程中的相对磁导率、磁导率和电阻率。Ansys emag软件计算磁场的过程中的松弛因子和离散系数对磁场的模拟计算结果有很大影响，首先采用默认值。
第五步，通过Ansys emag软件计算行波磁场产生的电磁力，并通过txt格式输出。
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CMSX-4合金铸件的热物性参数、模壳的热物性参数以及第五步中得到的电磁力，所述CMSX-4合金铸件的热物性参数和模壳的热物性参数均是指该CMSX-4合金铸件在凝固过程中的导热率、粘度、密度、凝固潜热、热膨胀系数和模壳在不同温度下的导热率。所述CMSX-4合金铸件的热物性参数和模壳的热物性参数通过常规实验方法得到。
第八步，确定定向凝固过程中的边界条件。所述的边界条件包括模壳与CMSX-4合金铸件之间的传热系数、所述定向凝固炉内腔的发射率以及该定向凝固炉内腔不同区域的温度。所述的传热系数的值是指在稳定传热条件下，该CMSX-4合金铸件与模壳界面两侧空气温差为1℃时，1s内通过1m2面积传递的热量，该传热系数的单位是W/m2·℃。所述定向凝固炉内腔的不同区域是指该定向凝固炉内腔的加热区、隔热板区和冷却区；
第九步，设定CMSX-4合金铸件的抽拉速率和定向凝固过程的初始条件。所述的初始条件是指对CMSX-4合金铸件的加热温度和抽拉速率。所述的加热温度即为所述CMSX-4合金的熔化温度；所述的抽拉速率为20μm/s。
第十步，确定使得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。所述在计算行波磁场作用下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。设定计算电流为22A、频率为50Hz；行波磁场的三匝线圈的相位角由上至下排序为0°、-120°、-240°时，行波磁场在合金液相中产生的洛伦兹力方向向下，且磁场强度为24mT。此时能够显著的抑制流动。至此，得到行波磁场操作参数。
步骤2，制备模壳：基于熔模铸造用模壳制备的常规方法和CMSX-4合金铸件的几何尺寸制造模壳。
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，而冷区由结晶器和CMSX-4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：将要熔化的原材料按国标配比后装入熔化坩埚中，打开感应加热电源的循环水路并开启电源熔化，得到CMSX-4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CMSX-4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1固定在常规定向凝固设备的感应加热线圈2***，并保证感应加热线圈2和行波磁场线圈1的圆心保证重合。施加行波磁场使用的变频电源共有3个输出端口，分别是输出端口a、输出端口b和输出端口c；各输出端口之间的相位差为120°。使用示波器检测出所述3个端口的相位角，则有输出端口a为0°，输出端口b为-120°，输出端口c为-240°。将三匝线圈分别接入变频电源上中下三个端口，能够得到不同方向的行波磁场。本实施例中将所述的三个输出端口分别接入上、中、下三匝行波磁场线圈，能够在铅锡合金液相内产生方向向下的洛伦兹力。开启磁场专用变频电源，调整控制面板上的旋钮以获得电流为22A和频率为50Hz，同时还需要打开齿轮油泵对行波磁场发生器进行冷却。
步骤8，浇铸和抽拉：将步骤6中将熔化的CMSX-4合金熔体浇入模壳中。设定抽拉速率为20μm/s，随后通过抽拉杆将模壳由热区送入冷区，完成对CMSX-4合金的抽拉。停止抽拉；停止保温电源和行波磁场电源。保温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CMSX-4合金铸件。
实施例五
本实施例是一种控制雀斑缺陷的定向凝固方法，具体步骤如下：
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。所述会产生雀斑缺陷的合金为镍基高温合金中的CMSX-4合金或CMSX-10或CM247LC或DZ125或DZ411或DD6或DD9或DD98或DD10或PWA1484或ReneN5或Rene N6。
本实施例中，以DZ125镍基高温合金为例加以描述。
确定行波磁场操作参数的具体过程是：
第一步，生成模拟的DZ125合金铸件的网格。采用常规的四面体网格划分方法进行DZ125合金铸件的网格划分，得到该DZ125合金铸件的网格模型。检查所述DZ125合金铸件的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积或网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行DZ125合金铸件的网格划分；若无错误则进行第二步；
第二步，生成行波线圈的网格。采用常规的四面体网格划分方法进行行波线圈的网格划分，得到该行波线圈的网格模型。检查所述行波线圈的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积或网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行行波线圈的网格划分；若无错误则进行第三步；
第三步，生成定向凝固炉内腔的网格。在制作内腔时，采用常规的四面体网格划分方法进行内腔的网格划分，得到该内腔的网格模型。检查所述内腔的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积或网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行内腔的网格划分；若无错误则进行第四步；
第四步，向Ansys emag软件中输入铸件的磁物性参数、模壳的磁物性参数和线圈的磁物性参数，所述的磁物性参数是通过常规实验方法得到的该铸件在凝固过程中的相对磁导率、磁导率和电阻率。Ansys emag软件计算磁场的过程中的松弛因子和离散系数对磁场的模拟计算结果有很大影响，首先采用默认值。
第五步，通过Ansys emag软件计算行波磁场产生的电磁力，并通过txt格式输出。
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DZ125合金铸件的热物性参数、模壳的热物性参数以及第五步中得到的电磁力，所述DZ125合金铸件的热物性参数和模壳的热物性参数均是指该DZ125合金铸件在凝固过程中的导热率、粘度、密度、凝固潜热、热膨胀系数和模壳在不同温度下的导热率。所述DZ125合金铸件的热物性参数和模壳的热物性参数通过常规实验方法得到。
第八步，确定定向凝固过程中的边界条件。所述的边界条件包括模壳与DZ125合金铸件之间的传热系数、所述定向凝固炉内腔的发射率以及该定向凝固炉内腔不同区域的温度。所述的传热系数的值是指在稳定传热条件下，该DZ125合金铸件与模壳界面两侧空气温差为1℃时，1s内通过1m2面积传递的热量，该传热系数的单位是W/m2·℃。所述定向凝固炉内腔的不同区域是指该定向凝固炉内腔的加热区、隔热板区和冷却区；
第九步，设定DZ125合金铸件的抽拉速率和定向凝固过程的初始条件。所述的初始条件是指对DZ125合金铸件的加热温度和抽拉速率。所述的加热温度即为所述DZ125合金的熔化温度；所述的抽拉速率为40μm/s。
第十步，确定使得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。所述在计算行波磁场作用下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。设定计算电流为24A、频率为50Hz；行波磁场的三匝线圈的相位角由上至下排序为0°、-120°、-240°时，行波磁场在合金液相中产生的洛伦兹力方向向下，且磁场强度为26mT。此时能够显著的抑制流动。至此，得到行波磁场操作参数。
步骤2，制备模壳：基于熔模铸造用模壳制备的常规方法和DZ125合金铸件的几何尺寸制造模壳。
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，而冷区由结晶器和DZ125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：将要熔化的原材料按国标配比后装入熔化坩埚中，打开感应加热电源的循环水路并开启电源熔化，得到DZ125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DZ125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1固定在常规定向凝固设备的感应加热线圈2***，并保证感应加热线圈和行波磁场线圈1的圆心保证重合。施加行波磁场使用的变频电源共有3个输出端口，分别是输出端口a、输出端口b和输出端口c；各输出端口之间的相位差为120°。使用示波器检测出所述3个端口的相位角，则有输出端口a为0°，输出端口b为-120°，输出端口c为-240°。将三匝线圈分别接入变频电源上中下三个端口，能够得到不同方向的行波磁场。本实施例中将所述的三个输出端口分别接入上、中、下三匝行波磁场线圈，能够在铅锡合金液相内产生方向向下的洛伦兹力。开启磁场专用变频电源，调整控制面板上的旋钮以获得电流为24A和频率为50Hz，同时还需要打开齿轮油泵对行波磁场发生器进行冷却。
步骤8，浇铸和抽拉：将步骤6中将熔化的DZ125合金熔体浇入模壳中。设定抽拉速率为40μm/s，随后通过抽拉杆将模壳由热区送入冷区，完成对DZ125合金的抽拉。停止抽拉；停止保温电源和行波磁场电源。保温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DZ125合金铸件。
实施例六
本实施例是一种控制雀斑缺陷的定向凝固方法，具体步骤如下：
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。所述会产生雀斑缺陷的合金为镍基高温合金中的CMSX-4合金或CMSX-10或CM247LC或DZ125或DZ411或DD6或DD9或DD98或DD10或PWA1484或ReneN5或Rene N6。
本实施例中，以ReneN5镍基高温合金为例加以描述。
确定行波磁场操作参数的具体过程是：
第一步，生成模拟的ReneN5合金铸件的网格。采用常规的四面体网格划分方法进行ReneN5合金铸件的网格划分，得到该ReneN5合金铸件的网格模型。检查所述ReneN5合金铸件的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积或网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行ReneN5合金铸件的网格划分；若无错误则进行第二步；
第二步，生成行波线圈的网格。采用常规的四面体网格划分方法进行行波线圈的网格划分，得到该行波线圈的网格模型。检查所述行波线圈的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积或网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行行波线圈的网格划分；若无错误则进行第三步；
第三步，生成定向凝固炉内腔的网格。在制作内腔时，采用常规的四面体网格划分方法进行内腔的网格划分，得到该内腔的网格模型。检查所述内腔的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积或网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行内腔的网格划分；若无错误则进行第四步；
第四步，向Ansys emag软件中输入铸件的磁物性参数、模壳的磁物性参数和线圈的磁物性参数，所述的磁物性参数是通过常规实验方法得到的该铸件在凝固过程中的相对磁导率、磁导率和电阻率。Ansys emag软件计算磁场的过程中的松弛因子和离散系数对磁场的模拟计算结果有很大影响，首先采用默认值。
第五步，通过Ansys emag软件计算行波磁场产生的电磁力，并通过txt格式输出。
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ReneN5合金铸件的热物性参数、模壳的热物性参数以及第五步中得到的电磁力，所述ReneN5合金铸件的热物性参数和模壳的热物性参数均是指该ReneN5合金铸件在凝固过程中的导热率、粘度、密度、凝固潜热、热膨胀系数和模壳在不同温度下的导热率。所述ReneN5合金铸件的热物性参数和模壳的热物性参数通过常规实验方法得到。
第八步，确定定向凝固过程中的边界条件。所述的边界条件包括模壳与ReneN5合金铸件之间的传热系数、所述定向凝固炉内腔的发射率以及该定向凝固炉内腔不同区域的温度。所述的传热系数的值是指在稳定传热条件下，该ReneN5合金铸件与模壳界面两侧空气温差为1℃时，1s内通过1m2面积传递的热量，该传热系数的单位是W/m2·℃。所述定向凝固炉内腔的不同区域是指该定向凝固炉内腔的加热区、隔热板区和冷却区；
第九步，设定ReneN5合金铸件的抽拉速率和定向凝固过程的初始条件。所述的初始条件是指对ReneN5合金铸件的加热温度和抽拉速率。所述的加热温度即为所述ReneN5合金的熔化温度；所述的抽拉速率为60μm/s。
第十步，确定使得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。所述在计算行波磁场作用下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。设定计算电流为26A、频率为50Hz；行波磁场的三匝线圈的相位角由上至下排序为0°、-120°、-240°时，行波磁场在合金液相中产生的洛伦兹力方向向下，且磁场强度为27mT。此时能够显著的抑制流动。至此，得到行波磁场操作参数。
步骤2，制备模壳：基于熔模铸造用模壳制备的常规方法和ReneN5合金铸件的几何尺寸制造模壳。
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，而冷区由结晶器和ReneN5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：将要熔化的原材料按国标配比后装入熔化坩埚中，打开感应加热电源的循环水路并开启电源熔化，得到ReneN5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ReneN5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1固定在常规定向凝固设备的感应加热线圈2***，并保证感应加热线圈2和行波磁场线圈1的圆心保证重合。施加行波磁场使用的变频电源共有3个输出端口，分别是输出端口a、输出端口b和输出端口c；各输出端口之间的相位差为120°。使用示波器检测出所述3个端口的相位角，则有输出端口a为0°，输出端口b为-120°，输出端口c为-240°。将三匝线圈分别接入变频电源上中下三个端口，能够得到不同方向的行波磁场。本实施例中将所述的三个输出端口分别接入上、中、下三匝行波磁场线圈，能够在铅锡合金液相内产生方向向下的洛伦兹力。开启磁场专用变频电源，调整控制面板上的旋钮以获得电流为26A和频率为50Hz，同时还需要打开齿轮油泵对行波磁场发生器进行冷却。
步骤8，浇铸和抽拉：将步骤6中将熔化的ReneN5合金熔体浇入模壳中。设定抽拉速率为60μm/s，随后通过抽拉杆将模壳由热区送入冷区，完成对ReneN5合金的抽拉。停止抽拉；停止保温电源和行波磁场电源。保温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ReneN5合金铸件。
实施例七
本实施例是一种控制雀斑缺陷的定向凝固方法，具体步骤如下：
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。所述会产生雀斑缺陷的合金为镍基高温合金中的CMSX-4合金或CMSX-10或CM247LC或DZ125或DZ411或DD6或DD9或DD98或DD10或PWA1484或ReneN5或Rene N6。
本实施例中，以PWA1484镍基高温合金为例加以描述。
确定行波磁场操作参数的具体过程是：
第一步，生成模拟的PWA1484合金铸件的网格。采用常规的四面体网格划分方法进行PWA1484合金铸件的网格划分，得到该PWA1484合金铸件的网格模型。检查所述PWA1484合金铸件的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积或网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行PWA1484合金铸件的网格划分；若无错误则进行第二步；
第二步，生成行波线圈的网格。采用常规的四面体网格划分方法进行行波线圈的网格划分，得到该行波线圈的网格模型。检查所述行波线圈的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积或网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行行波线圈的网格划分；若无错误则进行第三步；
第三步，生成定向凝固炉内腔的网格。在制作内腔时，采用常规的四面体网格划分方法进行内腔的网格划分，得到该内腔的网格模型。检查所述内腔的网格中可能存在的错误；所述的错误包括负体积或网格节点交叉；若发生所述错误，则重新进行内腔的网格划分；若无错误则进行第四步；
第四步，向Ansys emag软件中输入铸件的磁物性参数、模壳的磁物性参数和线圈的磁物性参数，所述的磁物性参数是通过常规实验方法得到的该铸件在凝固过程中的相对磁导率、磁导率和电阻率。Ansys emag软件计算磁场的过程中的松弛因子和离散系数对磁场的模拟计算结果有很大影响，首先采用默认值。
第五步，通过Ansys emag软件计算行波磁场产生的电磁力，并通过txt格式输出。
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PWA1484合金铸件的热物性参数、模壳的热物性参数以及第五步中得到的电磁力，所述PWA1484合金铸件的热物性参数和模壳的热物性参数均是指该PWA1484合金铸件在凝固过程中的导热率、粘度、密度、凝固潜热、热膨胀系数和模壳在不同温度下的导热率。所述PWA1484合金铸件的热物性参数和模壳的热物性参数通过常规实验方法得到。
第八步，确定定向凝固过程中的边界条件。所述的边界条件包括模壳与PWA1484合金铸件之间的传热系数、所述定向凝固炉内腔的发射率以及该定向凝固炉内腔不同区域的温度。所述的传热系数的值是指在稳定传热条件下，该PWA1484合金铸件与模壳界面两侧空气温差为1℃时，1s内通过1m2面积传递的热量，该传热系数的单位是W/m2·℃。所述定向凝固炉内腔的不同区域是指该定向凝固炉内腔的加热区、隔热板区和冷却区；
第九步，设定PWA1484合金铸件的抽拉速率和定向凝固过程的初始条件。所述的初始条件是指对PWA1484合金铸件的加热温度和抽拉速率。所述的加热温度即为所述PWA1484合金的熔化温度；所述的抽拉速率为80μm/s。
第十步，确定使得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。所述在计算行波磁场作用下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。设定计算电流为27A、频率为50Hz；行波磁场的三匝线圈的相位角由上至下排序为0°、-120°、-240°时，行波磁场在合金液相中产生的洛伦兹力方向向下，且磁场强度为28.5mT。此时能够显著的抑制流动。至此，得到行波磁场操作参数。
步骤2，制备模壳：基于熔模铸造用模壳制备的常规方法和PWA1484合金铸件的几何尺寸制造模壳。
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，而冷区由结晶器和PWA1484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：将要熔化的原材料按国标配比后装入熔化坩埚中，打开感应加热电源的循环水路并开启电源熔化，得到PWA1484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PWA1484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1固定在常规定向凝固设备的感应加热线圈2***，并保证感应加热线圈2和行波磁场线圈1的圆心保证重合。施加行波磁场使用的变频电源共有3个输出端口，分别是输出端口a、输出端口b和输出端口c；各输出端口之间的相位差为120°。使用示波器检测出所述3个端口的相位角，则有输出端口a为0°，输出端口b为-120°，输出端口c为-240°。将三匝线圈分别接入变频电源上中下三个端口，能够得到不同方向的行波磁场。本实施例中将所述的三个输出端口分别接入上、中、下三匝行波磁场线圈，能够在铅锡合金液相内产生方向向下的洛伦兹力。开启磁场专用变频电源，调整控制面板上的旋钮以获得电流为27A和频率为50Hz，同时还需要打开齿轮油泵对行波磁场发生器进行冷却。
步骤8，浇铸和抽拉：将步骤6中将熔化的PWA1484合金熔体浇入模壳中。设定抽拉速率为80μm/s，随后通过抽拉杆将模壳由热区送入冷区，完成对PWA1484合金的抽拉。停止抽拉；停止保温电源和行波磁场电源。保温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PWA1484合金铸件。
Claims (6)
1.一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；
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；所述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***，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。
2.如权利要求1所述外加磁场控制雀斑缺陷的定向凝固方法，其特征在于，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％。
3.如权利要求1所述外加磁场控制雀斑缺陷的定向凝固方法，其特征在于，当所述合金为铅锡合金时，电流设定为10～22A、频率设定为20～50Hz，磁场强度为10mT；当所述合金为镍基高温合金时，电流设定为22～27A、频率为50Hz，磁场强度为24～28.5mT。
4.如权利要求1所述外加磁场控制雀斑缺陷的定向凝固方法，其特征在于，所述会产生雀斑缺陷的合金的热物性参数和模壳的热物性参数均是指该铸件在凝固过程中的导热率、粘度、密度、凝固潜热、热膨胀系数和模壳在不同温度下的导热率。
5.如权利要求1所述外加磁场控制雀斑缺陷的定向凝固方法，其特征在于，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是指对该所述会产生雀斑缺陷的合金铸件的加热温度和抽拉速率；所述的加热温度即为所述会产生雀斑缺陷的合金的熔化温度；所述的抽拉速率为20～80μm/s。
6.如权利要求1所述外加磁场控制雀斑缺陷的定向凝固方法，其特征在于，所述加热熔化合金时，当所述合金为铅锡合金时，铅原材料和锡原材料按铅：锡＝67:33的质量分数比。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20180427 Termination date: 20190526 |