电磁搅拌作用下CoCrMo合金熔模铸件凝固细晶研究.pdf
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1、 精 密 成 形 工 程 第 15 卷 第 10 期 50 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 2023 年 10 月 收稿日期:2023-08-22 Received:2023-08-22 基金项目:国家自然科学基金(52271034,51974183);云南省材料基因工程期(202302AB080020);上海市自然科学面上基金(22ZR1425000)Fund:National Natural Science Foundation of China(52271034,51974183);Science and Technology Major
2、Project of Yunnan Province(202302AB080020);Nature Science Foundation of Shanghai(22ZR1425000)引文格式:但泽宇,赵江涛,李彦华,等.电磁搅拌作用下 CoCrMo 合金熔模铸件凝固细晶研究J.精密成形工程,2023,15(10):50-59.DAN Ze-yu,ZHAO Jiang-tao,LI Yan-hua,et al.Grain Refinement of Solidification Structure of CoCrMo Alloy Investment Castings under Elect
3、romagnetic StirringJ.Journal of Netshape Forming Engineering,2023,15(10):50-59.电磁搅拌作用下 CoCrMo 合金熔模 铸件凝固细晶研究 但泽宇1,赵江涛1,李彦华2,邓元鑫2,张云虎1*,宋长江1*(1.上海大学 先进凝固中心 材料科学与工程学院,上海 200444;2.无锡卡仕精密科技有限公司,江苏 无锡 214105)摘要:目的目的 研究电磁搅拌对 CoCrMo 合金熔模铸件晶粒尺寸的影响,解决熔模铸造 CoCrMo 合金铸件晶粒粗大的问题。方法方法 将 CoCrMo 合金熔化后,在其凝固过程中分别施加不同工艺
4、参数的电磁搅拌,并对其凝固后的组织进行表征分析。同时,采用有限元法对电磁搅拌在金属熔体中的电磁场和流场进行数值模拟。结果结果 在不同的电磁搅拌参数下,CoCrMo 合金铸件凝固组织出现了不同程度的细晶效果,浇道处的细晶效果优于铸件试棒处的。铸件试棒处的晶粒尺寸最小能控制在 1 mm 以下,等轴晶率最高能提升至 31%。数值模拟结果表明,在电磁搅拌过程中,铸件试棒的磁场、电流和洛伦兹力都呈周期性变化,铸件试棒内部的流速随搅拌时间的延长而增大,最后趋于稳定。结论结论 电磁搅拌对 CoCrMo 合金的凝固组织产生了明显的细化效果,促进了柱状晶向等轴晶转变。电磁搅拌的时间越长,铸件凝固组织的细化效果越
5、好,铸件厚大部位的细晶效果越显著。结合实验结果和数值模拟结果发现,在电磁搅拌过程中,熔体流动引发枝晶断裂是晶粒细化的主要原因,而电磁场促进异质形核为次要原因。关键词:熔模铸造;CoCrMo 合金;晶粒细化;电磁搅拌;数值模拟 DOI:10.3969/j.issn.1674-6457.2023.10.006 中图分类号:TG244+.3 文献标识码:A 文章编号:1674-6457(2023)10-0050-10 Grain Refinement of Solidification Structure of CoCrMo Alloy Investment Castings under Elect
6、romagnetic Stirring DAN Ze-yu1,ZHAO Jiang-tao1,LI Yan-hua2,DENG Yuan-xin2,ZHANG Yun-hu1*,SONG Chang-jiang1*(1.Center for Advanced Solidification Technology,School of Materials Science and Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China;2.Wuxi CastPro Precision Co.,Ltd.,Jiangsu Wuxi 214105,Chin
7、a)ABSTRACT:The work aims to study the effect of electromagnetic stirring on the grain size of CoCrMo alloy investment cast-ings,and solve the problem of coarse grain size in investment cast CoCrMo alloy castings.After melting CoCrMo alloy,elec-tromagnetic stirring with different process parameters w
8、as applied during its solidification to characterize and analyze its solidi-fied structure.At the same time,the finite element method was used to numerically simulate the electromagnetic field and flow 第 15 卷 第 10 期 但泽宇,等:电磁搅拌作用下 CoCrMo 合金熔模铸件凝固细晶研究 51 field of electromagnetic stirring in metal melt
9、s.Under different electromagnetic stirring parameters,the solidification structure of CoCrMo alloy castings exhibited varying degrees of fine-grained effect,and the fine-grained effect at the runner was better than that at the casting bar.The minimum grain size at the casting bar could be controlled
10、 below 1 mm,and the maximum equi-axed grain rate could be increased to 31%.The numerical simulation results indicated that during electromagnetic stirring,the magnetic field,current,and Lorentz force of the casting bar exhibited periodic changes.The internal flow rate of the casting bar increased wi
11、th the prolongation of stirring time and eventually stabilizes.In conclusion,electromagnetic stirring has a signifi-cant refining effect on the solidification structure of CoCrMo alloy,promoting the transformation of columnar grains into equi-axed grains.The longer the electromagnetic stirring time,
12、the better the refinement effect of the solidification structure of the casting.At the same time,electromagnetic stirring has a significant effect on grain refinement in thick areas of castings.Com-bining experimental and numerical simulation results,it is found that dendritic fracture caused by mel
13、t flow during electromag-netic stirring is the main reason for promoting grain refinement,while electromagnetic field promoting heterogeneous nucleation is the secondary reason.KEY WORDS:investment casting;CoCrMo alloy;grain refinement;electromagnetic stirring;numerical simulation 随着社会和时代的发展,越来越多的金属
14、被用于医疗领域。常用的医用金属材料包括钛合金、钴基合金和不锈钢等。从耐蚀性和力学性能的角度来看,钴基合金是极优良的材料之一,它植入人体后一般会保持钝化状态且点蚀倾向非常小,对应力腐蚀断裂也不敏感1。钴基合金的耐腐蚀性远强于不锈钢的,生物相容性与不锈钢的相当,耐磨性是所有医用金属材料中最好的。因此,相对于传统的医用不锈钢,钴基合金更适合用作体内承载条件苛刻的长期植入品2。符合ASTM F75标准的CoCrMo合金具备了钴基合金的所有优点,具备优异的耐腐蚀、耐磨性,广泛应用于医学领域。相关研究表明,CoCrMo 合金作为骨科移植材料无细胞毒性,在人体体液的环境中具有比其他金属都要好的耐蚀耐磨以及抗
15、生物腐蚀性能3,以及很好的抗拉强度和抗疲劳强度,适合服役时间长、不会骨折和需耐应力疲劳的部位4。CoCrMo 合金通常采用熔模铸造技术生产,因为这种生产方式可以以非常低的成本生产出复杂形状的矫形植入物,并且其尺寸和公差能够满足铸件的生产标准5。然而与粉末冶金和锻造相比,CoCrMo 合金铸件具有较低的抗疲劳性和延展性,并存在无法避免的铸造缺陷,如孔隙、化学不均匀性和晶粒粗大6-7。细化金属凝固组织是改善金属材料性能的重要方法,晶粒细化可减少铸件缺陷,如孔隙率、收缩率和热撕裂倾向,提高铸件产品的耐腐蚀性和可加工性,并增强蠕变性能8。常用的细化晶粒方法有两种:化学方法,通过向金属熔体中加入孕育剂或
16、者变质剂来提升形核率或者抑制晶核长大,以达到细化晶粒的目的9-11;物理方法,通过机械搅拌12、超声场13-14、脉冲电流15、电磁搅拌16-18和脉冲磁场19-20等方式,对金属熔体施加外部扰动来细化晶粒。电磁搅拌具有操作简单和效率高等特点,在冶金领域常被用来细化钢的凝固组织。电磁搅拌是利用电磁力驱动金属熔体流动,改善金属熔体凝固过程中对流和传热的过程21。搅拌电磁力的离心效应可以大幅提升熔池的温度场均匀度,使熔池内金属液中的溶质混合均匀22。它具有净化熔体、改善微观组织和均质溶质元素、提高合金质量的功能,能够在细化金属凝固组织的同时增大铸坯等轴晶率、促进柱状晶向等轴晶转变(Columnar
17、 to-Equiaxed Transition,CET)、减轻铸坯偏析23。Willers 等24研究了在铅锡合金凝固过程中施加旋转磁场对凝固组织的影响。研究表明,旋转磁场改变了熔体中的温度场和流场分布,降低了固液界面前沿的温度梯度,并且随着旋转磁场泰勒数的增大,CET 发生位置会向熔体底部移动。电磁搅拌技术还能够提升金属材料的力学性能25-27,经旋转磁场处理后,材料的显微硬度、屈服强度和抗拉强度都会明显增大。adirli 等28研究发现,在施加旋转磁场的情况下,Al-Cu-Co 合金的显微硬度、屈服强度、抗拉强度分别增大了 72%、21%、20%。目前学者们对 CoCrMo 合金的研究主要
18、集中在其相组成、组织形貌和固态相变方面,而关于在凝固过程中使用电磁搅拌处理的研究鲜有报道。本文研究了电磁搅拌对 CoCrMo 熔模铸件凝固组织的影响,揭示了电磁搅拌对晶粒尺寸的影响规律和作用机制。1 实验 1.1 材料及样品制备 旋转磁场装置由旋转磁场电源控制柜和磁场发生装置组成。旋转磁场电源控制柜可向线圈中输入电流有效值为 5350 A、频率为 550 Hz 的三相交流电。磁场发生装置由 6 组 50 匝的铜导线线圈、由硅钢片叠加而成的铁芯、冷却循环水路以及外壳组成。线圈之间采用星形接法相连,旋转磁场装置接线示意图如图 1 所示。其中每对“N-S”指代一组线圈,相对的线圈通入同相位(分别以
19、U、V、W 表示)的交流电,相邻的线圈通入相位差为 120的交流电。52 精 密 成 形 工 程 2023 年 10 月 图 1 旋转磁场装置接线示意图 Fig.1 Wiring diagram of rotating magnetic field device 将熔模铸造模壳预热到设定温度,把合金装入模壳上部的熔炼位置,并放入真空快熔设备中进行感应加热,待其熔化后流入模壳中,将装有金属熔体的模壳转移至电磁搅拌线圈内进行处理,转移时间约15 s。电磁搅拌线圈在放入模具之前已经按照设定的电磁参数开启。待电磁搅拌处理时长达到设定值后,停止电磁搅拌,拿出模具放入指定位置进行冷却。一共进行了 4 组凝
20、固实验,其中 1 组实验的样品为对比样品,其形状和尺寸如图 2 所示;其余 3 组实验的电磁参数一致,区别在于搅拌时间和搅拌工况不同,具体参数如表 1 所示。1.2 表征及测试方法 利用线切割技术将所制备的铸件试棒从中间一分为二,并对剖面进行磨抛处理。宏观腐蚀液为 100 mL盐酸(质量分数为 36%38%)+2 mL 双氧水(质量分数为 30%)+18 mL 水的混合溶液。采用质量分数为 3%3.5%的 Nital 溶液(质量分数为 3%3.5%的硝酸+97%96.5%的无水乙醇)在 20 V 电压下对 CoCrMo合金电解腐蚀 10 s 后观察微观组织。采用正置金相显微镜 CDM-812
21、对 CoCrMo 合金的不同位置拍摄马赛克拼接金相图,如图 3 所示,并用截线法统计晶粒尺寸:统计截线上通过晶界的交点,并汇总计算出平均 图 2 显微镜不同拍摄位置示意图 Fig.2 Schematic diagram for different shooting positions of microscope 图 3 截线法统计晶粒示意图 Fig.3 Schematic diagram for grain statistics using the cross-sectional method 晶粒尺寸(截线长/截点数)。利用商业软件 COMSOL Multiphysics(简称 COM-SO
22、L)对电磁搅拌作用下金属熔体电磁场和流场进行数值模拟。该软件基于有限元法,按照几何建模、物性参数、初始条件和边界条件、网格划分和求解器设置的顺序建立数值模型。2 结果与讨论 2.1 宏观组织和细晶效果 经表 1电磁搅拌参数处理后的 CoCrMo合金铸件试棒宏观组织如图 4 所示。可以看出,未施加电磁搅拌的样品即试样 a 晶粒粗大,而电磁处理后样品的晶粒都有不同程度的细化。试样 b 是模壳放入电磁搅拌器后再启动电磁处理,与另外 2 个电磁搅拌一直开启 表 1 实验电磁搅拌参数 Tab.1 Experimental electromagnetic stirring parameters Sampl
23、e Current/A Frequency/Hz Current holding time/sCommutation time/sMix time/min Mixing conditions a N/A N/A N/A N/A N/A N/A b 100 10 10 30 4 Start mixing after placing into the mold shell c 100 10 10 30 4 Electromagnetic stirring is always ond 100 10 10 30 8 Electromagnetic stirring is always on 第 15
24、卷 第 10 期 但泽宇,等:电磁搅拌作用下 CoCrMo 合金熔模铸件凝固细晶研究 53 图 4 电磁搅拌作用下 CoCrMo 合金铸件试棒的宏观组织 Fig.4 Macrostructure of CoCrMo alloy casting bars under electromagnetic stirring:a)sample a;b)sample b;c)sample c;d)sample d 处理的试样相比,其晶粒更粗大。试样 d 的电磁搅拌处理时间相较于试样 c 的更长,两者最主要的区别是试样 d 中部晶粒更为细小。综上所述,试样 d 的电磁搅拌处理效果最好。通过截线法所测的晶粒尺寸
25、和面积法所得的等轴晶率如表 2 所示。通过对比可以看出,该结果与图4 中的宏观组织基本相符。未经电磁搅拌处理的试样晶粒尺寸为电磁搅拌处理过后的试样晶粒尺寸的24倍,而其等轴晶率仅为处理后试样的一半。此外,对比试样 bd 可以看出,试样 d 的晶粒尺寸和等轴晶率 表 2 电磁搅拌作用下 CoCrMo 合金铸件试棒的 不同区域晶粒尺寸和等轴晶率 Tab.2 Grain size and equiaxed grain rate in different re-gions of CoCrMo alloy cast bars under electromagnetic stirring Sample E
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