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最优结构研究

磁场优化金属合金

要查看如何使液体流动而不被直接加热或触摸,您只需要看着未加工的鸡蛋在微波炉中爆炸即可。电磁力甚至可以熔化温度超过1,000的金属 ℃。在德累斯顿-罗森多夫研究中心(FZD)的磁流体动力学研究小组中,导电液体和磁场之间的这些复杂相互作用被用来控制液态金属合金的流动和凝固过程。目的是为铸造厂创建优化的生产工艺。为了分析金属的微观结构,科学家使用了由高端显微镜和Power Mosaic图像记录软件组成的自动化系统,该软件可以在高分辨率的单帧中扫描样品的大表面,并将其组合为精确的整体图像以进行定量分析。

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磁场优化了材料加工技术

特别是汽车和航空航天业使用由特殊合金制成的部件,这些部件必须满足不断增长的质量要求。需要更薄,即更轻的铸件。有时它们必须同时变得更复杂或更大,并且仍然必须承受不断增加的负载。合金的稳定性和承载能力主要取决于其微观结构。金属合金凝固过程中的磁场流动决定了熔体中热量和材料的传递,从而决定了成核和晶粒的长大。因此,理想的,即均匀的细晶粒组织需要受控的铸件凝固。

德国研究科学家共同体(DFG)建立了一个名为"冶金,晶体生长和电化学中的电磁流控制"在德累斯顿工业大学,德累斯顿-罗斯森多夫研究中心,德累斯顿莱布尼茨固态和材料研究所和Bergakademie Freiberg理工学院研究了专门为优化材料加工技术而定制的磁场。应用潜力巨大。几乎所有的工业金属都来自金属熔体。电磁搅拌在可控性和不接触方面的优势也被用于研究流动结构对金属合金凝固过程的影响。

最佳非接触式搅拌

FZD的科学家正在与德累斯顿大学一起进行子项目,在该项目中,他们在旋转磁场(RMF)的影响下使用铅-锡和铝-硅合金进行固化实验(图1显示了设备示意图)。目的是获得具有各向同性的细晶粒结构的材料,该材料具有几乎为球形的晶体,也称为球状晶体。通常,许多合金的形态主要由柱状树枝状晶组成。由于以球状形式固化的材料表现出明显更好的机械特性,因此可以通过熔池中的磁力驱动流防止树枝状晶体的生长。在已经充分研究的RMF流量的基础上,FZD的科学家检查了受控凝固过程中的复杂物理现象,从而能够为铸造应用制定最佳的搅拌策略[4–6 ]。

在德累斯顿工业大学航空工程学院的一个子项目中,通过数值模拟对凝固过程中由RMF引起的流动的结构进行了详细的分析。通过分析凝固过程中的流动结构及其对熔体中传热和传质的影响获得的基本发现将直接用于TU Bergakademie Freiberg铸造研究所的另一个子项目中,并转移到实际铸件中用于铝和镁合金。

调制磁场

实验表明,在恒定的冷却条件下,球状结构体积的比例直接取决于电磁驱动流的类型和强度,并且可以通过定义的磁场参数设置进行控制。例如,电磁搅拌后在微观结构中检测到明显的晶粒细化(图2和3)。然而,与此同时,观察到不合需要的流特异性分离。因此,德累斯顿的科学家正在寻找一种能形成细颗粒状球状结构但不会导致相成分分离的特定流动模式。

数值模拟的结果表明,磁场幅度的受控调制可能会生成合适的流动模式,从而显着降低偏析程度。这被用作开发概念的基础,这些概念用于优化在凝固实验中检查的磁场参数振幅和频率的时间函数。这种方法已经取得了第一个明显的成功[1, 2 ]。

为了更好地了解凝固前沿之前的流场与凝固结构特征之间的关系,FZD进一步开发了超声多普勒技术,用于金属熔体中。使用这种技术,可以在液相凝固过程中首次测量流速[7 ]。

图4:定向凝固的Al-7M。%Si合金照片:在下部区域中凝固而没有磁场导致柱状生长。接通时间调制的磁场会导致样品上部的球状晶粒长大。

微观结构的定量分析

宏观检查凝固的金属圆柱体已经显示出由RMF的影响引起的明显差异,或者是如何通过磁场的时空变化将柱状形态转变为球状形态(图2)。 4)。微观分析5的横截面和纵向 cm thick and 6 厘米高的样品瓶可以定量分析晶粒尺寸,相分布,尤其是球状结构的比例体积(图 5)。为了获得样品整个表面的高分辨率图像,Rossendorf的科学家使用了高性能图像记录软件Leica LAS Power Mosaic与Leica DM6000结合 M自动研究显微镜(图 6)。抛光后的金属部分将以每分钟约400帧的速度自动扫描,并以完整的相机分辨率生成完整的图像。

图5:在Al-7M。%Si样品的纵向截面中,共晶相的体积比例。在凝固过程中接通了时间调制磁场。

图6:Sn-38M。%Pb合金的纵截面照片。在凝固过程中接通了时间调制磁场。

该系统以高速,高精度和可管理的数据格式聚焦生成单个图像的镶嵌图。 徕卡微系统 产品的特殊优势:单个图像之间的图像重叠优化了16个像素的偏移,并且直接在样品上具有自动校准功能,以补偿载物台移动和光学系统的最大误差。系统会自动设置单个图像尺寸和相机旋转补偿。可以根据样本的表面形貌在任意数量的参考点上内插焦点位置。显微镜镜台的精确控制对于整个扫描和图像记录速度至关重要。一旦到达计算位置,通过平台触发的快速数码相机就记录图像,而无需停止平台。如果需要,可以使用特殊的xyz控制板在各种焦平面上进行3D重建。但是,在这种情况下,每个图像场必须记录几张图像,这会降低记录速度。

"与我们必须手动合成单个图像的日子相比,自动 LAS 徕卡微系统的Power Mosaic软件为我们节省了很多时间和精力。现在,我们可以对样品的整个横截面进行快速有效的定量分析",强调了来自FZD的Sven Eckert博士。"除此之外,我们还必须在FZD记录并存档所有实验数据。在此,该软件还提供了比以前更容易的工作例程。我们可以使用光学显微镜技术管理金属组织的几乎所有主要分析。仅对于特殊发现,才需要用电子显微镜进一步量化结果。"