CN116356234B - 基于涡流的非接触式金属晶粒精准调控*** - Google Patents
基于涡流的非接触式金属晶粒精准调控*** Download PDFInfo
- Publication number
- CN116356234B CN116356234B CN202111568180.XA CN202111568180A CN116356234B CN 116356234 B CN116356234 B CN 116356234B CN 202111568180 A CN202111568180 A CN 202111568180A CN 116356234 B CN116356234 B CN 116356234B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- pulse
- discharge
- resistor
- switch
- power supply
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 29
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 29
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 title claims abstract description 11
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 claims abstract description 31
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 19
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 claims description 8
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 abstract description 2
- 229910000861 Mg alloy Inorganic materials 0.000 description 33
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 24
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 18
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 description 13
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 12
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 11
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 5
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 5
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 5
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 4
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 2
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- NEWKHUASLBMWRE-UHFFFAOYSA-N 2-methyl-6-(phenylethynyl)pyridine Chemical compound CC1=CC=CC(C#CC=2C=CC=CC=2)=N1 NEWKHUASLBMWRE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910017518 Cu Zn Inorganic materials 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000342 Monte Carlo simulation Methods 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000001976 improved effect Effects 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F3/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by special physical methods, e.g. treatment with neutrons
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C23/00—Alloys based on magnesium
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Lasers (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
本发明提出了一种基于涡流的非接触式金属晶粒精准调控***，包括脉冲发生器和待处理板件；脉冲发生器包括储能模块、放电模块和脉冲线圈；放电模块的放电输入第一端与储能模块的储能输出第一端相连，放电模块的放电输入第二端与储能模块的储能输出第二端相连，脉冲线圈串联与放电模块回路中，待处理板件置于脉冲线圈附近；储能模块能够存储不同电压规格的能量；调节放电模块的参数，通过流过脉冲线圈的脉冲电流对待处理板件进行处理。本发明能够在相同能量下，通过电流波形可达到提高幅值的效果，使诱导高电导金属晶粒细化效果更好。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料领域，特别是涉及一种基于涡流的非接触式金属晶粒精准调控***。
背景技术
粒细化是唯一可以同时提高金属塑性和强度的方式。目前晶粒细化的方式包括在铸造过程中添加晶粒细化剂、搅拌等。在铸造完成后，常使用变形的方法来处理金属。考虑到铸造过程不可逆，且在实际应用场景中需要维持原有的装配而无法首先形变，亟需寻找一种可以不改变原有装配方式且实现金属晶粒细化精准调控的方法。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于涡流的非接触式金属晶粒精准调控***。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于涡流的非接触式金属晶粒精准调控***，包括脉冲发生器和待处理板件；
脉冲发生器包括储能模块、放电模块和脉冲线圈；
放电模块的放电输入第一端与储能模块的储能输出第一端相连，放电模块的放电输入第二端与储能模块的储能输出第二端相连，脉冲线圈串联与放电模块回路中，待处理板件置于脉冲线圈附近；
储能模块能够存储不同电压规格的能量；
调节放电模块的参数，通过流过脉冲线圈的脉冲电流对待处理板件进行处理。
进一步地，储能模块包括M个直流电源、M个充电开关和电容器组，所述M大于或者等于2的正整数；
M个直流电源分别为第1直流电源、第2直流电源、第3直流电源、……、第M直流电源，第1直流电源、第2直流电源、第3直流电源、……、第M直流电源为电压逐渐增加的电源，M个充电开关分别为第1充电开关、第2充电开关、第3充电开关、……、第M充电开关；
第m直流电源的电源电压输出第一端与第m充电开关的第一端相连，m为小于或者等于M的正整数，第m充电开关的第二端与电容器组的第一端相连，第m直流电源的电源电压输出第二端与电容器组的第二端相连，第m充电开关的通断控制端与控制器的充电通断第m端相连。即是第1直流电源的电源电压输出第一端与第1充电开关的第一端相连，第1充电开关的第二端与电容器组的第一端相连，第1直流电源的电源电压输出第二端与电容器组的第二端相连，第1充电开关的通断控制端与控制器的充电通断第1端相连；第2直流电源的电源电压输出第一端与第2充电开关的第一端相连，第2充电开关的第二端与电容器组的第一端相连，第2直流电源的电源电压输出第二端与电容器组的第二端相连，第2充电开关的通断控制端与控制器的充电通断第2端相连；第3直流电源的电源电压输出第一端与第3充电开关的第一端相连，第3充电开关的第二端与电容器组的第一端相连，第3直流电源的电源电压输出第二端与电容器组的第二端相连，第3充电开关的通断控制端与控制器的充电通断第3端相连；……；第M直流电源的电源电压输出第一端与第M充电开关的第一端相连，第M充电开关的第二端与电容器组的第一端相连，第M直流电源的电源电压输出第二端与电容器组的第二端相连，第M充电开关的通断控制端与控制器的充电通断第M端相连。通过控制器向第m充电开关发送导通信号，第m充电开关导通，第m直流电源向电容器组充电，这样电容器组可以得到不同电压规格的能量存储。
进一步地，放电模块包括放电开关、放电电感、K个放电电阻和K-1个电阻开关，所述K为大于或者等于2的正整数；
K个放电电阻分别为第1放电电阻、第2放电电阻、第3放电电阻、……、第K放电电阻，K-1个电阻开关分别为第2电阻开关、第3电阻开关、……、第K电阻开关；
第k电阻开关的通闭控制端与控制器的通断第k端相连，k为小于或者等于K的正整数且大于或者等于2，第k电阻开关的第一端与第k放电电阻的第一端相连，第1电阻的第一端和第k电阻开关的第二端构成电阻调节的第一端，第1电阻的第二端和第k放电电阻的第二端构成电阻调节的第二端；即第2电阻开关的通闭控制端与控制器的通断第2端相连，第2电阻开关的第一端与第2放电电阻的第一端相连，第3电阻开关的通闭控制端与控制器的通断第3端相连，第3电阻开关的第一端与第3放电电阻的第一端相连，第4电阻开关的通闭控制端与控制器的通断第4端相连，第4电阻开关的第一端与第4放电电阻的第一端相连，……，第K电阻开关的通闭控制端与控制器的通断第K端相连，第K电阻开关的第一端与第K放电电阻的第一端相连；第1电阻的第一端、第2电阻开关的第二端、第3电阻开关的第二端、第4电阻开关的第二端、……、第K电阻开关的第二端分别相连构成电阻调节的第一端；第1电阻的第二端、第2放电电阻的第二端、第3放电电阻的第二端、第4放电电阻的第二端、……第K放电电阻的第二端分别相连构成电阻调节的第二端；第1放电电阻、第2放电电阻、第3放电电阻、……、第K放电电阻的阻值可以相等同，也可以不完全相等，还可以完全相等，控制器向第k电阻开关发送导通信号，第k电阻开关导通，其总电阻值发生变化。
放电开关的第一端与储能模块的储能输出第一端相连，放电开关的第一端与电阻调节的第一端相连，电阻调节的第二端与放电电感的第一端相连，放电电感的第一端与储能模块的储能输出第二端相连，放电开关的放电通闭控制端与控制器的充电通断端相连。
进一步地，所述脉冲线圈包括：蛇形线圈、单导线，阿基米德线圈中的任意一种。
进一步地，包括：
通过脉冲发生器产生脉冲电流，并采用感应涡流方式或传导方式对待处理板件施加脉冲电流，通过涡流产生的电子风和焦耳热使得金属的晶界迁移，实现再结晶即晶粒细化，具有提高电流幅值的效果，能实现晶粒细化的精准调控。
为何使用脉冲而不使用其他方式如直流、交流等——因为相同能量下产生的焦耳热相同，但是脉冲产生的电子风力更大，驱动晶界迁移程度更高，因此更容易实现晶粒细化。
通过改变电路中线圈的电阻，从而改变输出的脉冲波形，具体理论如下。
电路微分方程的特征根，称为电路的固有频率。当R、L、C的量值不同时，特征根可能出现以下三种情况
(1)时，S1，S2为不相等的实根，过阻尼情况。
(2)时，S1，S2为两个相等的实根，临界阻尼情况。
(3)时，S1，S2为共扼复数根，欠阻尼情况。
进一步地，所述感应涡流方式包括：
对线圈进行通电，再将线圈放置于待处理板件上；
所述线圈与待处理板件之间有缝隙，理论上来说缝隙越小越好，一般缝隙为0.01mm～0.5mm；
或所述线圈与待处理板件之间存在绝缘介质。
进一步地，所述传导方式包括：
将脉冲电流施加到待处理板件的左右两侧。
进一步地，所述脉冲电流中的脉冲包括：
欠阻尼单个脉冲或过阻尼单个脉冲；
或/和所述欠阻尼单个脉冲为一个正弦衰减的电流波形，所述电流波形上下震荡，幅值逐级递减，第一个的波峰幅值最高；
或/和所述欠阻尼单个脉冲还包括：
欠阻尼单个脉冲的脉冲幅值(峰值)为10kA～200kA，脉冲频率为3000Hz～50000Hz；
或/和所述过阻尼单个脉冲为只有一个波峰的正弦波，呈现为中间高，两端逐渐下降且完全对称的钟形曲线。
进一步地，所述过阻尼单个脉冲包括：
过阻尼单个脉冲的脉冲幅值(峰值)为10kA～200kA，脉冲频率为3000Hz～50000Hz。
进一步地，所述脉冲还包括多个脉冲，多个脉冲包括：
多个波形相同的单个脉冲，单个脉冲的上升时间和下降时间相同；
多个脉冲与过阻尼单个脉冲的区别在于，多个脉冲是增加的电流幅值的方式，过阻尼单个脉冲是通过增加脉冲数的方式。
且产生多个脉冲的脉冲发生器采用的电容组。
或/和所述脉冲还包括多个脉冲：
脉冲幅值(峰值)为2kA～40kA，脉冲频率为3000Hz～50000Hz，且在1秒内的个数为5～15个。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明能够在相同能量下，通过电流波形可达到提高幅值的效果，使诱导高电导金属晶粒细化效果更好。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明欠阻尼单个脉冲、过阻尼单个脉冲、多个脉冲的波形示意图。
图2是本发明采用脉冲感应涡流方式的装配示意图。
图3是本发明脉冲发生器示意图。
图4是本发明仿真结果晶粒示意图。
图5是本发明镁合金板件的涡流密度示意图。
图6是本发明不同电压等级下镁合金板件中心的涡流密度示意图。
图7是本发明采用罗氏线圈近似测量镁合金涡流大小的方法进行仿真得到电流的分布。
图8是本发明不同脉冲电流幅值下处理后的晶粒大小统计分布示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提出了一种基于涡流的非接触式金属晶粒精准调控***，以镁合金为例。
1简介
镁合金是目前最轻的金属材料之一，密度(1.8g/cm3)比钢密度(7.8g/cm3)的25％还小。此外，镁合金具有较高的比强度和阻尼性能，因此镁合金在工业轻量化中极具发展前景。然而，镁合金的延展性，可塑性和抗腐蚀性较差，这阻碍了镁合金的工业化应用推广。研究发现，晶粒细化是唯一可以同时提高金属塑性和强度的方式。且晶粒细化后得到同质的微观结构，有利于抑制偏析和孔隙形成，提高耐腐蚀性。
对于铸造过程中(液态)的镁合金，常采用添加晶粒细化剂，额外添加其他物质如碳或者FeCl3，以及搅拌等方式实现晶粒细化。对于固态的金属则常常采用变形的方式。
研究发现，当有电流作用于成形的金属时，会降低金属变形的流动应力并显著增强其塑性。由于电处理只需要在几微秒的时间内便可完成，这与传统热处理相比，节省了大量的时间成本，并且加工后的镁合金拥有更优异的微观组织。因此，该技术引起了大量研究者的兴趣。
官磊等人在实验中观察到，电脉冲作用下AZ31镁合金会在极短的时间内完成静态再结晶过程，晶粒组织明显细化，其变形抗力也随之减小。刘阳等人发现电脉冲可大幅度促进AZ31镁合金的再结晶、细化镁合金的晶粒组织。晶粒细化能够激活晶界滑移，同时作用于镁合金的位错运动，缩短位错移动行程、增强协调变形能力，从而降低镁合金变形抗力。官磊等人研究发现了电流对再结晶行为的机制是电子风和焦耳热作用于位错和驱动晶界的迁移。
目前对电致塑性的机制研究较为***深入，遗憾的是，目前的电辅助等加工方式都会作用于整个镁合金工件，最终使整个板件硬化，难以应用于功能梯度材料。因为在功能性梯度材料结构中，其材料性能随位置而变化，以此来优化整个功能梯度材料的某些功能，从而来满足各种不同环境的要求。因而亟需寻找一种局部诱导再结晶，提高金属硬度方式，并使工件其他部分保留原始的晶粒大小。
在实际复杂的应用场景中，需要金属拥有不同的晶粒大小分布来满足不同的应用要求，针对此这一难点，本文提出一种非接触式区域选择性诱导再结晶晶粒细化的加工方式，采用脉冲感应涡流方式施加电流，所提出的方法也可以实现静态再结晶也可以实现动态再结晶方式。研究了线圈电流的转换效率，探明了电磁参数的动态响应规律和空间分布，根据晶界迁移理论得到涡流诱导金属静态再结晶的机制和定向诱导再结晶弱化织构的新方法，本文研究成果可促进电辅助加工技术在镁合金制造的发展应用以及为未来制备镁合金梯度材料提供了参考依据。
2 材料和方法
2.1 材料
实验中，选择AZ31镁合金作为实验对象、板件的尺寸为100mm×50mm×1mm，镁合金板件的元素组成如表1所示。
表1AZ31镁合金化学组成成分
| Mg | Cu | Zn | V | Fe | Mg | Ti | Mn | Si |
| 99.6 | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.35 | 0.03 | 0.03 | 0.03 | 0.25 |
2.2晶界迁移仿真模型
为了分析脉冲电流对再结晶的作用，根据晶界迁移理论，搭建了电流诱导晶界迁移再结晶的仿真模型，从而为电流参数剂量提供参考依据，根据晶粒长大动力学方程，晶界迁移的速率为
v＝MP
M为晶界迁移率，P为晶界迁移驱动力，v为晶界迁移速率
M0为常数，T是温度，Q是结晶迁移激活能，R是气体常数。
P＝PV+PR
其中PV是体积能，PR是晶界能。电脉冲引起的热与电耦合作用促进了晶界迁移，则再结晶过程中驱动力可以表示为
ΔP＝Pth+Path
其中，Pth是热压缩应力，Path是电子风力
其中，ΔS是晶界与基体之间的熵差，▽T为温度梯度，2a是晶界的厚度，是原子体积
其中，e为自然常数，ρD为电阻率，ND是位错密度，ne是电子密度，j是电流密度,因此总的再结晶驱动力为
PEP＝P+ΔP
＝PV+PR+Pth+Path
电脉冲作用下的迁移晶界速率为
vEP＝MPEP
当涡流作用时，再结晶晶界迁移驱动力包括电磁力造成的形变和涡流产生的电子风和焦耳热。
2.3有限元仿真模型
确认涡流可以诱导再结晶之后，为研究脉冲作用过程中电磁参数的时空响应规律，并验证涡流空间分布是否具有特定区域选择性，本文采用COMSOL Multiphysics构建三维多物理场耦合模型。
仿真的几何模型由线圈和待处理的板件组成。模型结构参数和器件的实际尺寸相同。线圈截面积为8×10mm，板件厚度为1mm，长宽分别为100和50mm，线圈材料为铜，板件材料为镁，多物理场包括电磁场和固体力学。本文设置的全部电磁场求解域包括半径为40的球。求解域中材料的相关电磁参数和材料参数如表1所示。
表1
2.4脉冲发生器
研究表明，当金属中流过的电流密度达到1kA/mm2时，电致塑性效果较为显著，在能量一定条件下，增加电流幅值会降低脉宽。为了实现较高的电流密度和较低的脉宽，本文研制了一套可产生大电流的脉冲脉冲发生器，脉冲***如图3所示，整个***包括储能模块和放电模块。储能模块包括140uF的电容器组、一个高压直流电源和一个继电器，继电器在电容充电完毕后断开。放电模块包括一个真空触发开关，一个线圈以及待处理的样品。其中，触发源(trigger source)通过产生幅值10kV，脉宽6us的脉冲来触发真空触发开关。样品和线圈的装配方式具体详情见图3中，其中线圈截面积宽高分别为8mm×10mm，绝缘层厚度为60um。由于脉冲大电流会产生洛伦兹力，因此在样品运动方向上放置固定板件。
3 结果与讨论
3.1 有限元仿真结果
采用蒙特卡洛法求解得到金属晶体晶界驱动的结果如下图4所示，仿真结果表明，在没有形变条件下，涡流可以激发更多的晶核、驱动晶界迁移从而诱导再结晶行为实现晶粒细化，因此我们认为采用涡流诱导再结晶行为方法是有效的。
镁合金板件的涡流密度分布如图5所示，涡流主要集中在镁合金的中央部分，其形状大致为长方形，其中宽度约为8.2mm，这和线圈与板件平行的宽度基本相同。此外，镁合金板件上的涡流密度分布相对较为均匀，外涡流密度迅速衰减中心区域密度大约为3×104A/mm2。
涡流方向平行于板件宽度方向。涡流密度沿着在板件长边沿处有所衰减，衰减后密度约为2.2A/mm2，需要强调的是，除了中心区域，其他部分的涡流密度都较小，近似为0。仿真结果表明涡流形式的电流可以有效选择性控制电流的空间分布。不同电压下的电流密度如图6所示，图中结果表明，随着电压的增大，样品上的电流密度随之增大，当电压为从5kV增大到8kV时，镁合金板件上的涡流密度随之从3×104A/mm2增大到4.9×104A/mm2。
3.2晶体仿真结果
对比电流分布和应力分布发现两者存在差异，因此在实际过程中需要根据具体线圈设计几何结构。电流驱动晶界迁移导致的再结晶是晶粒基面偏转的本质，但是文献中指出，变形也会促进位错滑移。然而电流作用区域和变形区域稍有区别，为了准确控制再结晶的区域，有必要对板件形变区域进行固定，在本文的研究中，根据之前研究结果：洛伦兹力方向垂直于板件且远离线圈，于是在本文的装置设计中，我们选择固定整个样品。
仿真结果(图4)表明，涡流主要集中在平行于线圈宽度的区域，
3.3脉冲幅值对再结晶诱导的影响
图8展示了不同脉冲电流幅值下处理后的晶粒大小统计分布，未处理区域的晶粒平均尺寸为5.01μm(图8a)，采用5kV处理15次(23.3kJ)后晶粒的平均尺寸为3.45μm(图8b)，采用8kV处理5次(22.4kJ)后晶粒的平均尺寸为2.31μm(图8c)，由此可见随着电流幅值的提升，再结晶促进效果显著增强。
4结论
为了满足镁合金实际应用场景中不同环境的需求，本文提出了一种基于涡流的区域选择性再结晶方法，对有效选择性、选择性诱导的机制以及参数对再结晶影响展开了研究，得到以下结论：
(1)采用涡流处理镁合金可以有效选择性诱导镁合金局部静态再结晶，实现镁合金晶粒细化，提高镁合金的硬度、塑性以及抗腐蚀性能，弱化镁合金的织构
(2)本文采用涡流诱导镁合金静态再结晶，在金属中的涡流产生焦耳热和电子风驱动金属的晶界迁移，搭建的仿真模型可以较好复现选择性诱导的区域以及晶界迁移的程度。
(3)相同的能量下，通过提高涡流的幅值可以提高该方式的效率，这是因为驱动晶界迁移的有效电流能量更多。当线圈脉冲电流从90kA上升到130kA，电流诱导晶粒细化程度从3.5μm增加到2.3μm。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种基于涡流的非接触式金属晶粒精准调控***，其特征在于，包括脉冲发生器和待处理板件；
脉冲发生器包括储能模块、放电模块和脉冲线圈；通过脉冲发生器产生脉冲电流，并采用感应涡流方式对待处理板件施加脉冲电流；
所述脉冲电流中的脉冲为：欠阻尼单个脉冲或过阻尼单个脉冲或多个脉冲；
所述欠阻尼单个脉冲为一个正弦衰减的电流波形，所述电流波形上下震荡，幅值逐级递减，第一个的波峰幅值最高；欠阻尼单个脉冲的脉冲幅值为10kA～200kA，脉冲频率为3000Hz～50000Hz；
所述过阻尼单个脉冲为只有一个波峰的正弦波，呈现为中间高，两端逐渐下降且完全对称的钟形曲线；过阻尼单个脉冲的脉冲幅值为10kA～200kA，脉冲频率为3000Hz～50000Hz；
所述多个脉冲为多个波形相同的单个脉冲，单个脉冲的上升时间和下降时间相同；脉冲幅值为2kA～40kA，脉冲频率为3000Hz～50000Hz，且在1秒内的个数为5～15个；
放电模块的放电输入第一端与储能模块的储能输出第一端相连，放电模块的放电输入第二端与储能模块的储能输出第二端相连，脉冲线圈串联于放电模块回路中，待处理板件置于脉冲线圈附近；
储能模块能够存储不同电压规格的能量；
调节放电模块的参数，通过流过脉冲线圈的脉冲电流对待处理板件进行处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于涡流的非接触式金属晶粒精准调控***，其特征在于，储能模块包括M个直流电源、M个充电开关和电容器组，所述M大于或者等于2的正整数；
M个直流电源分别为第1直流电源、第2直流电源、第3直流电源、……、第M直流电源，第1直流电源、第2直流电源、第3直流电源、……、第M直流电源为电压逐渐增加的电源，M个充电开关分别为第1充电开关、第2充电开关、第3充电开关、……、第M充电开关；
第m直流电源的电源电压输出第一端与第m充电开关的第一端相连，m为小于或者等于M的正整数，第m充电开关的第二端与电容器组的第一端相连，第m直流电源的电源电压输出第二端与电容器组的第二端相连，第m充电开关的通断控制端与控制器的充电通断第m端相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于涡流的非接触式金属晶粒精准调控***，其特征在于，放电模块包括放电开关、放电电感、K个放电电阻和K-1个电阻开关，所述K为大于或者等于2的正整数；
K个放电电阻分别为第1放电电阻、第2放电电阻、第3放电电阻、……、第K放电电阻，K-1个电阻开关分别为第2电阻开关、第3电阻开关、……、第K电阻开关；
第k电阻开关的通闭控制端与控制器的通断第k端相连，k为小于或者等于K的正整数且大于或者等于2，第k电阻开关的第一端与第k放电电阻的第一端相连，第1电阻的第一端和第k电阻开关的第二端构成电阻调节的第一端，第1电阻的第二端和第k放电电阻的第二端构成电阻调节的第二端；
放电开关的第一端与储能模块的储能输出第一端相连，放电开关的第一端与电阻调节的第一端相连，电阻调节的第二端与放电电感的第一端相连，放电电感的第一端与储能模块的储能输出第二端相连，放电开关的放电通闭控制端与控制器的充电通断端相连。
4.根据权利要求1所述的一种基于涡流的非接触式金属晶粒精准调控***，其特征在于，所述脉冲线圈包括：蛇形线圈、单导线，阿基米德线圈。
5.根据权利要求1所述的一种基于涡流的非接触式金属晶粒精准调控***，其特征在于，所述感应涡流方式包括：
对线圈进行通电，再将线圈放置于待处理板件上；
所述线圈与待处理板件之间有缝隙，缝隙为0.01mm～0.5mm；
或所述线圈与待处理板件之间存在绝缘介质。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111568180.XA CN116356234B (zh) | 2021-12-21 | 2021-12-21 | 基于涡流的非接触式金属晶粒精准调控*** |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111568180.XA CN116356234B (zh) | 2021-12-21 | 2021-12-21 | 基于涡流的非接触式金属晶粒精准调控*** |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116356234A CN116356234A (zh) | 2023-06-30 |
| CN116356234B true CN116356234B (zh) | 2024-06-21 |
Family
ID=86932058
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111568180.XA Active CN116356234B (zh) | 2021-12-21 | 2021-12-21 | 基于涡流的非接触式金属晶粒精准调控*** |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116356234B (zh) |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3007947B2 (ja) * | 1997-09-22 | 2000-02-14 | 工業技術院長 | 金属組織微細化法 |
| CN100368586C (zh) * | 2005-10-27 | 2008-02-13 | 上海大学 | 细化金属凝固组织的高压脉冲电源装置 |
| CN201328086Y (zh) * | 2008-12-22 | 2009-10-14 | 西北工业大学 | 可控电变质脉冲电源 |
| CN101447746A (zh) * | 2008-12-22 | 2009-06-03 | 西北工业大学 | 可控电变质脉冲电源 |
| CN103643061B (zh) * | 2013-12-05 | 2016-02-24 | 山东宏泰科技有限公司 | Mg-Al-Zn系合金的制备工艺 |
| CN106167885B (zh) * | 2016-08-08 | 2017-12-26 | 武汉晶泰科技股份有限公司 | 金属材料内部微观缺陷的修复方法 |
| KR101957477B1 (ko) * | 2017-08-21 | 2019-03-12 | 서울대학교산학협력단 | 마그네슘 합금의 성형성 증가방법 |
| CN110760668B (zh) * | 2019-10-08 | 2022-01-11 | 江苏大学 | 一种获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法 |
| CN111549305B (zh) * | 2020-05-18 | 2021-07-06 | 中南大学 | 一种镁合金带材强韧化方法 |
| CN112980673B (zh) * | 2021-02-01 | 2023-03-24 | 重庆大学 | 高频脉冲磁场诱导细胞磁穿孔装置及方法 |
-
2021
- 2021-12-21 CN CN202111568180.XA patent/CN116356234B/zh active Active
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Grain Refinement and Eutectic Solidification Mechanism of Al-Si Hypoeutectic Alloy in Centrifugal Casting with Electromagnetic Field;Zhi Qing Zhang;《 Key Engineering Materials》;20071209;第84卷(第353-358期);3132-3135 * |
| 放电电压对镁-铝磁脉冲焊接中金属射流及结合界面的影响;周言;《电工技术学报》;20210809;第37卷(第2期);459-468+495 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116356234A (zh) | 2023-06-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ouyang et al. | Investigation of the electromagnetic attractive forming utilizing a dual-coil system for tube bulging | |
| CN104968454B (zh) | 固化/模塑由粉末制成的近净成形组件的方法 | |
| Li et al. | Bulging behavior of metallic tubes during the electromagnetic forming process in the presence of a background magnetic field | |
| US20150080637A1 (en) | Microscopic magnetic coils for neural stimulation | |
| Qiu et al. | Electromagnetic force distribution and forming performance in electromagnetic forming with discretely driven rings | |
| Xiong et al. | Electromagnetic attraction-based bulge forming in small tubes: Fundamentals and simulations | |
| CN116356234B (zh) | 基于涡流的非接触式金属晶粒精准调控*** | |
| CN111118420A (zh) | 一种消减镁合金板材残余应力的磁脉冲处理方法 | |
| Xiao et al. | Deformation mechanism of 5052 aluminum alloy using electrically assisted electromagnetic forming | |
| US20170326614A1 (en) | Ultra-high-speed forming method using electroplasticity effect | |
| WO2014088423A1 (en) | Apparatus and method for induction heating of magnetic materials | |
| CN114309231A (zh) | 一种消除和调控合金环件残余应力的装置及方法 | |
| Zhang et al. | Electromagnetic forming with automatic feedback control of Lorentz force distribution: A new forming method and its application to high-uniformity tube deformation | |
| Zhang et al. | Study on multi-segment asynchronous induction coilgun launcher | |
| CN114032383A (zh) | 一种脉冲磁场双向强化钛合金板材的装置 | |
| Batygin et al. | Pulsed electromagnetic attraction processes for sheet metal components | |
| CN113337704A (zh) | 一种通过静磁场设施实现交变或脉冲磁场作用的方法 | |
| Zhang et al. | Research into controlling the material flow for electrohydraulic forming alloy tubes by a pulsed magnet | |
| US20240161963A1 (en) | Monolithic High Field Magnets for Plasma Target Compression | |
| 黄欣泉 et al. | Enhancement effect of reducing welding residual stress by composite electromagnetic treatment | |
| JP4303607B2 (ja) | 鋼板の誘導加熱方法 | |
| CN113884534B (zh) | 一种电磁耦合处理提升镍基合金传热管传热性能的方法 | |
| CN114733954B (zh) | 一种可调高频振动辅助的电磁成形装置及方法 | |
| Hara et al. | Dc Electrical Breakdown of Liquid Nitrogen under Simulated Quench State in Pool Cooled High Tc Superconducting Power Apparatus Pt. 1. Analytical Study of Bubble Behavior | |
| Shahsavari et al. | Study of the system characteristics on the performance of the sheet metal electromagnetic forming |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |