（江西理工大學 機電工程學院，江西 贛州 341000）

經(jīng)過多年的發(fā)展，合金的半固態(tài)加工已成為新興的一項高性能精確成形制造范疇的技術，具有高效節(jié)能的特點，該技術主要包含半固態(tài)金屬漿料制備工藝和半固態(tài)金屬成形過程[1]。半固態(tài)漿料中關乎其質量的初生固相的大小、形貌和分布、固相率均需在漿料制備階段控制。

近10 多年來，人們在半固態(tài)金屬漿料先進制備工藝的研究和應用中獲得了重要進展，先后出現(xiàn)了諸多半固態(tài)合金漿料的先進制備工藝[2]，為半固態(tài)合金加工技術的推廣做出了重要貢獻。該技術的一個極為關鍵問題是如何制備優(yōu)質的半固態(tài)合金漿料或具有非枝晶的坯料。

就目前半固態(tài)漿料制備技術的研究和應用來看，多數(shù)工藝技術都會應用各種外場對處于固液兩相區(qū)間的合金熔體實施擾動而產(chǎn)生強制流動，達到調控合金凝固過程的目的。由外場擾動引起的這種流動可加速合金凝固時的能量、動量和質量傳輸，使溫度場、溶質場變得更加均勻，有利于破碎的樹枝晶熟化并向球狀晶轉變，最終獲得所需要的凝固組織形貌[3]。

電磁場是應用于半固態(tài)合金加工的主要外場之一。將電磁場技術應用于制備半固態(tài)合金漿料的優(yōu)點是：與合金熔體非接觸、零污染，易實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，效率高。為了促進電磁場在半固態(tài)合金加工中的應用，還需要深入研究半固態(tài)合金熔體在電磁場作用下的流動特性與作用，逐步認清半固態(tài)合金漿料的流動對合金凝固過程和凝固組織的影響規(guī)律，闡明半固態(tài)漿料中非枝晶組織在強制流動中的演變過程，創(chuàng)建調控半固態(tài)合金組織性能的措施，為復雜的高性能零部件的精確成形與制造提供技術支撐。

1 電磁場對半固態(tài)合金的流動行為的影響

1.1 電磁場攪拌技術在半固態(tài)合金漿料制備中的應用

20 世紀初出現(xiàn)了將電磁場攪拌技術應用于金屬加工的設想，約20 年后美國人Mcneill J D 申請并獲得了世界上首個電磁攪拌技術的專利。20 世紀50 年代初德國企業(yè)Huchkingen 在金屬連鑄生產(chǎn)工藝中首次使用了電磁場攪拌技術，取得了良好的效果[4]。電磁場攪拌的工作原理是通過變化的電磁場在金屬熔體內(nèi)部中的電磁感應產(chǎn)生電磁力（Lorentz 力），進而驅動金屬熔體產(chǎn)生強制流動的攪拌方式，如圖1 所示。由于電磁力的攪拌可在半固態(tài)合金熔體內(nèi)部產(chǎn)生三維強制對流，使正在生長的初生相被粘稠的合金熔體沖刷、折斷，繼而相互碰撞，形成許多破碎枝晶；在持續(xù)的電磁攪拌作用下，熔體中溫度場、濃度場變得更加均勻，破碎枝晶的形貌在熟化過程中向薔薇狀、顆粒狀演變，最終形成了半固態(tài)合金的非枝晶組織[5]。

圖1 電磁攪拌原理Fig.1 Principle of electromagnetic stirring

根據(jù)電磁場攪拌裝置產(chǎn)生磁場類型的不同，電磁場攪拌裝置可分為直線電磁攪拌器、旋轉電磁攪拌器以及螺旋電磁攪拌器，各類電磁場攪拌裝置的示意圖如圖2 所示[6]。

根據(jù)電磁場攪拌裝置的攪拌位置不同，其相應的作用也不同，電磁攪拌裝置又可分為結晶電磁攪拌器（M-EMS）、二冷區(qū)電磁攪拌器（S-EMS）、凝固末端電磁攪拌器（F-EMS）[7]，如圖3 所示。

圖2 電磁場攪拌裝置Fig.2 Electromagnetic stirring instrument

圖3 各段電磁場攪拌器的安裝位置Fig.3 Installing place for electromagnetic stirrer in each position

在半固態(tài)合金漿料的制備過程中，由電磁場攪拌合金熔體的流動方式來看，電磁場攪拌可分為水平式、垂直式和螺旋式3 種形式，如圖4 所示。隨著科學水平提升和技術進步，近年來電磁場攪拌工藝也在不斷進行技術創(chuàng)新，出現(xiàn)了諸如復合電磁攪拌法[8]和環(huán)縫式電磁攪拌法[9]等先進工藝，推進了半固態(tài)合金技術向前發(fā)展。張志峰等[10]采用自行設計的電磁場攪拌設備，研究了不同工藝參數(shù)下，單一施加或復合施加電磁攪拌方式對A357 合金微觀組織的影響，結果表明，單一施加旋轉感應電磁攪拌或單一施加無芯感應電磁攪拌時，漿料徑向凝固組織皆不均勻，只有增大電流時，單一施加無芯感應電磁攪拌制備的漿料質量才有明顯的改善。若將旋轉感應和無芯感應進行復合電磁攪拌，可在電流較小時獲得較好的漿料質量。Zhu 等[11]對圓柱坩堝進行了改造，通過引入一根空心石墨棒獲得了環(huán)縫式坩堝，并應用這只坩堝研究了冷卻速率、電磁攪拌功率和攪拌時間對半固態(tài)合金凝固組織的影響，當在冷卻速率較快和電磁攪拌功率較大的條件下，攪拌 10 s 就可獲得圓整細小的半固態(tài)A357 鋁合金漿料組織。Liu 和Mao[12]將局部激冷與低過熱度澆注和弱電磁攪拌結合，研制了制備半固態(tài)A356 合金漿料的新工藝，即在電磁攪拌過程中，將一根紫銅棒引入不銹鋼圓筒內(nèi)的液態(tài)合金中，提拉幾秒鐘，以此在液態(tài)合金中產(chǎn)生局部激冷效果。該工藝可顯著改善半固態(tài)A356 合金中初生α-Al 的形核率、顆粒形狀和晶粒尺寸。Itamura 等[13]研制了一個雙軸電磁攪拌器，該攪拌器包含旋轉電磁攪拌系統(tǒng)和線性行波電磁攪拌系統(tǒng)，可以用于研究不同電磁攪拌方式對漿料組織和熔體溫度的影響。研究表明，雙軸電磁攪拌方式可以使合金熔體溫度更均勻，凝固組織形貌較好，但是這個改進了的電磁攪拌技術尚有不足，主要在于設備的線圈體積大、成本較高，與傳統(tǒng)鑄造設備安裝對接不便，攪拌合金熔體時易卷氣卷渣從而產(chǎn)生污染。這樣可能使得引入的雙重耦合攪拌喪失非接觸式攪拌的優(yōu)勢[14]，因此，在應用電磁場攪拌設備制備半固態(tài)合金漿料時，還需要從其他的工藝參數(shù)和研究方法上針對不同的半固態(tài)合金做進一步改進。

圖4 3 種電磁攪拌法制備半固態(tài)漿料的形式Fig.4 Three kinds of form for preparing semisolid alloy slurry through electromagnetic stirring

江西理工大學的研究團隊將變頻控制技術引入到電磁攪拌裝置中，形成了分級攪拌工藝[15]，可以在連續(xù)攪拌過程中變換頻率對合金熔體進行分級攪拌，使半固態(tài)合金熔體在電磁場作用下產(chǎn)生不同強度和不同流速的流動，以滿足電磁攪拌在熔體凝固的初期、中期和后期對凝固組織的要求。研究表明半固態(tài)合金熔體凝固初期施加較高頻率電磁攪拌，凝固中后期稍微降低攪拌頻率，可以得到較好的微觀組織形貌和細小晶粒。后來又開發(fā)和研制了雙向電磁攪拌工藝[16]，利用雙向連續(xù)攪拌作用液態(tài)熔體形成強烈的紊流和慣性沖擊，加快半固態(tài)合金凝固體系的質量傳輸、熱量傳遞。當電磁頻率為30 Hz 時，半固態(tài)初生相的平均等積圓直徑為 38.2 μm，形狀因子為0.75。在雙向電磁攪拌工藝基礎上輔以熔體等溫保溫技術，形成了一種復合制備新工藝，即雙向電磁攪拌+等溫熱處理[17]。該工藝在強化半固態(tài)合金熔體流動的基礎上，通過適當?shù)牡葴乇?，有效調節(jié)初生晶粒的形核和生長，獲得了平均等積圓直徑為29.4 μm、形狀因子為0.86 的初生相。

1.2 熔體流動對半固態(tài)合金凝固組織的影響

合金凝固時因外部條件影響或內(nèi)部因素作用而產(chǎn)生熔體流動是普遍存在的現(xiàn)象，而合金凝固過程中出現(xiàn)的樹枝狀晶體也是常見的組織形貌，這種組織形貌的形成與合金凝固時的熔體流動具有密切的關系[18]，因此，研究合金液相流動對枝晶形成的作用，如何盡量消除枝晶對合金組織性能的不利影響，是凝固科學一個非常有意義的工作。實踐已表明，金屬凝固過程中施加磁場是改善組織結構、提高組織性能的重要方法之一[19—21]。20 世紀60 年代，Johnston 等[22]嘗試了將電磁場攪拌引入到Sn-Pb 合金凝固組織的研究中，結果表明電磁場可以大幅度提高合金形核的數(shù)量，電磁場攪拌使枝晶臂破碎，從而增加了晶核數(shù)目，促進了等軸晶細化。Lin[23]從流體的密度、擴散系數(shù)、粘度、流道寬度及流速對流體擴散進行了分析和數(shù)值模擬，結果表明擴散與流動距離、擴散系數(shù)、流動密度和流速存在特定的函數(shù)關系，粘稠度影響流體速度梯度但并不直接影響擴散。潘冶[24]等采用控制結晶法制備球狀組織的半固態(tài)ZL101 鋁合金，研究了結晶初期熔體流動對球狀初生相形成的作用，結果顯示球狀晶粒不僅受澆鑄溫度影響，還受充型方式影響。Trivedi[25]等研究了不同凝固速率和溫度梯度情況下，Al-Cu 合金試樣定向凝固過程中的液相流動對平界面、胞狀晶和樹枝晶生長的影響，發(fā)現(xiàn)液相流動可以抑制平界面向胞狀晶的轉變，同時也增大了胞枝晶轉變的臨界速度。Shin[26]等在CA 模型中考慮了強制對流對枝晶形貌的影響，模擬結果出現(xiàn)了迎流生長的現(xiàn)象。旋轉磁場能夠消除Sn-Bi 合金的宏觀偏析、碎斷枝晶和細化凝固組織，加快了熔體流動和固-液界面溶質的擴散速度，隨著磁場旋轉頻率的增大，合金的生長形態(tài)經(jīng)歷了從枝晶→等軸晶→球狀晶→枝晶的轉變，旋轉磁場還加快了熔體流動，促進了熔體中溶質場和溫度場在分布上趨于均勻化[27]。應用脈沖系列磁場對Al-Si 合金熔體實施攪拌時發(fā)現(xiàn)，在較大頻率下正反換向的旋轉磁場幾乎可抑制偏析產(chǎn)生，獲得近乎百分之百的等軸晶組織[28]。Hideyuki Yasuda[29]等研究了交替靜磁場作用下熔體流動對中碳鋼凝固組織的影響。對于低過冷區(qū)的凝固，隨著靜磁場強度的增加，熔體流動逐漸減弱，隨著熔體流動速度減小，凝固組織中等軸晶組織的數(shù)量也減少。Poole 等研究了電磁攪拌對A1-4.5Cu 合金凝固組織的影響，發(fā)現(xiàn)在電磁場作用下，合金凝固組織由無磁場的等軸晶變?yōu)橥耆闹鶢罹?，并且確定了最終的晶粒尺寸以及線圈工作頻率對溶質偏析的影響[30]。在電磁場引起的強制對流作用下，凝固前沿的壓力差驅使溶質在糊狀區(qū)域流動，當溶質在偏析通道富集到足夠高時，可使溶質濃度達到共晶成分[31]。Liu 等研究了高強磁場對Al-Si 合金的影響，發(fā)現(xiàn)隨著冷卻速率的增加，磁場可降低Al-Si 合金的二次枝晶臂，這與枝晶和共晶組織生長過程中固/液凝固前沿液相中溶質原子擴散速率下降有關[32]。Metan 等[33]通過晶粒細化和電磁攪拌來控制晶粒尺寸，進而控制Al-Si 合金的機械和物理性能。實驗發(fā)現(xiàn)，通過對合金熔體施加向上和向下的電磁場對在凝固過程中的熔體進行強制對流，導致了初生相組織的細化、球化，進而提升了合金的機械和物理性能。利用低頻率電磁攪拌制備半固態(tài)A356-Y合金漿料可獲得初生相的等積圓直徑和形狀因子，其數(shù)值分別達到65 mm 以下和0.80 以上，稀土Y 在電磁場引起的熔體強制對流驅動下，其分布沿著鑄錠的半徑趨于邊緣富集，而且隨著電流頻率增大，稀土Y在鑄錠邊緣富集程度增大[34]。弱熔體對流對定向凝固組織生長有顯著的作用，平均界面過冷度與熔體流動強度有關，當生長速度一定時，隨著流動強度增大，平均界面過冷度減小[35]。張嘉藝等[36]研究了半固態(tài)A356 稀土合金熔體在施加電磁攪拌后的溫度場分布規(guī)律以及電磁場對半固態(tài)A356 稀土合金熔體中初生α相形貌演變的影響，電磁攪拌下引起的熔體流動可使溫度場分布更加均勻，半固態(tài)A356-Yb 合金初生相的平均等積圓直徑為62.3 μm，平均形狀因子為0.78，晶粒圓整細小，組織形貌最佳。張威武等[37]研究發(fā)現(xiàn)，在旋轉電磁攪拌條件下鎂合金熔體在水平方向上圍繞結晶器中心做旋轉運動，隨著磁感應強度從0 增大到100 Gs，水平方向流速從0 增大到6 mm/s，熔體凝固速度加快，結晶器內(nèi)液相穴深度從20.2 cm減小到10.6 cm，結晶器中心到邊部溫度梯度減小。電磁攪拌條件下，鎂合金凝固組織中等軸晶比率增大，當電磁感應強度增大到40 Gs 時，晶粒平均尺寸由未攪拌時的366 μm 變?yōu)?10 μm。陳濤等[38]應用低過熱度澆注、雙向低頻電磁攪拌和稀土元素細化處理復合技術制備了半固態(tài)A356-La 鑄錠，研究了磁場頻率對合金鑄錠徑向顯微組織和稀土元素分布規(guī)律的影響，磁場頻率增加，晶粒球化程度顯著，生長方式由枝晶向球晶轉變，徑向組織以及稀土元素點狀彌散分布均勻性增強，磁場頻率為25 Hz 時半固態(tài)初生相平均等積圓直徑和形狀因子分別為36.2 μm 和0.82。正是由于電磁場對半固態(tài)合金凝固過程的干擾，不僅使其成為非平衡過程，而且所獲得的凝固組織具有非線性特征，半固態(tài)A356 鋁合金初生相形貌屬于一種分形結構，不同工藝制備的初生相形貌有不同的分形維數(shù)，其凝固過程是一個分形維數(shù)變化的過程[39]。

2 數(shù)值模擬技術在解析半固態(tài)合金流動行為中的應用

由于半固態(tài)合金制備過程中電磁場引起的熔體流動行為以及對凝固過程的影響發(fā)生在高溫下，也不易觀察，對實驗研究熔體流動在半固態(tài)合金加工中的作用、開發(fā)新型制備工藝、優(yōu)化制備參數(shù)等帶來極大的不便，因此，需要借助和引進先進的方法、手段來提升當前涉及電磁場應用、半固態(tài)合金熔體流動、凝固過程控制與優(yōu)化等問題研究的技術水平，彌補現(xiàn)行研究方法和實驗手段的短板，更好地揭示電磁場作用下半固態(tài)合金熔體的流動性狀與規(guī)律，降低半固態(tài)合金加工的成本，簡化半固態(tài)合金研究過程，使產(chǎn)品的質量可靠。這些年隨著計算機科學技術的發(fā)展，尤其是各種應用軟件的成熟和商業(yè)化，為數(shù)值模擬技術在半固態(tài)合金加工中的研究和應用打下了堅實的基礎。

首先，各國的研究人員對半固態(tài)合金熔體流動有關的二維數(shù)學模型進行了研究。訾炳濤等[40]用ANSYS有限元數(shù)值模擬軟件對鋁合金熔體凝固過程中的流場作了數(shù)值模擬，模擬結果和實驗現(xiàn)象相符合。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，用數(shù)值模擬的方法不僅可以初步了解凝固過程中熔體的流動狀態(tài)，還可以了解凝固組織細化和產(chǎn)生缺陷的原因。Chowdhury 等[41]針對連續(xù)整體的數(shù)學模型進行了數(shù)值模擬，并和電磁攪拌技術制備的半固態(tài)合金漿料的結果做了對比，發(fā)現(xiàn)兩者的結果吻合，表明所建立的數(shù)學模型真實、可靠。陳興潤等[42]基于耦合的數(shù)學模型，結合有限元和有限差分方法，對電磁攪拌條件下半固態(tài)合金中的電磁場、流場和溫度場進行了耦合模擬分析，獲得了攪拌電流強度和頻率對熔體中電磁場、流場和溫度場分布的影響及規(guī)律。Zhang 等[43]對環(huán)縫式電磁攪拌法制備半固態(tài)漿料過程中的電磁場、流場和溫度場進行了數(shù)值模擬，研究結果表明電磁場模擬結果與實驗結果具有較好的一致性，驗證了計算模型與軟件算法的可行性。攪拌系統(tǒng)的電磁力主要分布于環(huán)縫內(nèi)，提高了對合金熔體的攪拌強度，加強了熔體的流動。采用Powerlaw cut-off（PLCO）模型可研究半固態(tài)A356 鋁合金漿料的流場，結合有限元軟件ANSYS 和編程軟件INTEL FORTRAN 對電磁場、溫度場和流場進行了耦合模擬，以探明多場攪拌參數(shù)對電磁場、溫度場和流場的影響規(guī)律，研究表明電磁場隨著攪拌頻率和電流的增加而增大，但分布不均勻，使得半固態(tài)A356 漿料流速增大且分布不均勻[44]。通過對電磁場及流場進行建模分析，仿真結果顯示電磁攪拌器中合金熔體在電磁攪拌下的流動速度與攪拌頻率的二次方根值有關，而且呈現(xiàn)螺旋狀的湍流運動[45]。Ebisu 建立了包含宏觀傳輸控制方程的數(shù)學模型，研究了結晶器電磁攪拌過程的磁場特征，并對磁場作用下的液態(tài)合金流動及凝固行為進行了分析，并在此基礎上用數(shù)值模擬方法分析了鑄坯內(nèi)的液態(tài)合金流場分布情況[46]。Chen 等通過耦合溫度場模型、溶質擴散方程以及枝晶生長動力學方程等重要因素，建立了一種改進的元胞自動機模型，研究了Al-Cu-Mg 三元合金單相和多相枝晶生長時的枝晶形貌和微觀偏析，模擬結果與實驗結果相吻合，且各元素在枝晶間的成分分布與各元素的分配系數(shù)和溶質擴散系數(shù)有關[47]。Sukhram 等應用 ANSYS Fluent 模擬了圓柱形鑄型中的鋁熔體在電磁場作用下的流動與凝固情況，同時考慮了合金凝固時熔體流動速率、過熱度和初始溫度分布情況的影響[48]。Du 等利用相場法模擬了合金在強制對流條件下枝晶生長過程中的成分和溫度分布，結果表明液相流動引起了溶質擴散層厚度的變化，進而影響了溶質偏析，熔體流動降低了迎流方向上的溶質偏析，但導致了枝晶快速生長，強制的熔體流動顯著影響了凝固組織的枝晶形貌、成分和溫度分布[49]。Guo 等應用相場法研究了熔體流動條件下二元合金的枝晶生長和形貌演變，在凝固后期由于枝晶臂之間的溶質富集導致了一次和二次枝晶臂的熔化[50]。

江西理工大學的研究團隊針對建立的簡化二維電磁攪拌模型，應用ANSYS15.0 研究了坩堝中半固態(tài)A356 鋁合金漿料受到磁感應強度和電磁力后沿坩堝徑向的分布情況[51—52]。結果表明，不同尺寸（半徑）坩堝都呈現(xiàn)基本相同的規(guī)律，即磁感應強度從坩堝中心沿坩堝徑向逐漸增大，在坩堝半徑大約0.85倍的位置處達到最大值，隨后接近坩堝邊緣處顯著減小。作用在熔體上的電磁力也呈現(xiàn)類似的規(guī)律，即電磁力沿著坩堝徑向逐步增大，且增大幅度越來越大，在坩堝半徑約0.9 倍的位置處電磁力達到最大值，而在坩堝邊緣處急劇減小，如圖5 所示。在電磁攪拌作用下，坩堝中半固態(tài)鋁合金熔體受到電磁力作用而產(chǎn)生水平和豎直方向上的流動，且各個方向上的流速大小不一，熔體產(chǎn)生的運動不是單一的水平旋轉運動，而是方向不定的混沌流動。他們還針對非圓（橢圓形）坩堝，采用數(shù)值模擬方法研究了不同坩堝長短軸比例R和電磁攪拌頻率對半固態(tài)A356 鋁合金漿料的流動規(guī)律，以及R對半固態(tài)A356 鋁合金初生相的影響[53]。半固態(tài)A356 鋁合金在非圓坩堝短軸方向上受到的最大電磁力和最大流速表現(xiàn)為先增大后減小，而非圓坩堝長軸方向上所受最大電磁力和最大流速則是先增大后減小再增大，電磁頻率越高，非圓坩堝短軸與長軸之間的電磁力差和流速差越明顯，如圖6 和圖7 所示。在非圓坩堝中實施電磁攪拌時，電流強度和電磁頻率都可明顯地影響合金熔體中所受到的電磁力差，其中電流強度對調控電磁力差的作用要強于電磁頻率，而合金熔體的流速差對電流強度和電磁頻率的敏感程度不如電磁力差，但是，電流強度對熔體流速差的影響要略強于電磁頻率。當電磁頻率和坩堝長短軸比例分別為30 Hz 和1.1 時，非圓坩堝長軸和短軸上的最大流速分別為153.6 和143.2 mm/s，流速差最小，此時可制備出較優(yōu)的半固態(tài)A356 鋁合金漿料。

圖5 30 Hz 電磁頻率下坩堝徑向上的磁感應強度和電磁力分布Fig.5 Distribution of magnetic flux density and electromagnetic force in radial direction of crucible at 30 Hz

圖6 不同坩堝長短軸比例和電磁頻率下的最大電磁力Fig.6 The maximum electromagnetic force under the different major and minor axial ratios of crucible and electromagnetic frequencies

圖7 不同坩堝長短軸比例和電磁頻率下的最大流速Fig.7 The maximum flow rates under different major and minor axial ratios of crucible and electromagnetic frequencies

應用數(shù)值模擬技術研究半固態(tài)合金熔體中電磁場作用引起的流動特性過程中，還有新發(fā)現(xiàn)。使用CFD-Fluent 流體力學軟件模擬電磁場中鋁熔液微粒運動軌跡，通過Matlab 分析計算了這些流動軌跡的混沌特征參數(shù)：最大Lyapunov 指數(shù)及Kolmogorov熵，對其進行了混沌特征判斷及分析，結果表明，鋁合金熔體在電磁場作用下的流動具有混沌特性，電磁頻率為5～30 Hz 時，鋁合金熔體中都發(fā)生了混沌對流[54]。電磁場導致熔體的混沌流動可以增強粘性流體在層流狀態(tài)下的溶質擴散、遷移、混合等，有利于獲得非枝晶初生相和改善半固態(tài)合金初生相的形貌尺寸[55]。

在二維數(shù)學模型研究工作的基礎上，研究人員還開展了電磁場作用下合金熔體流動的三維數(shù)學模型的仿真計算。Fujisaki 等[56]在多種電磁攪拌裝置所產(chǎn)生的電磁場和合金熔體流場研究的基礎上，建立了可反映交變電流激勵下電磁場以及金屬熔體運動狀態(tài)的三維數(shù)學模型，應用此模型研究了電磁結晶器攪拌過程中的電磁場特征，闡述了電磁場擾動下合金熔體的流動特性以及凝固過程。Trindade 等[57]應用有限元方法構建了可研究電磁攪拌器磁感應強度的三維數(shù)值模型，根據(jù)施加電流和頻率可計算電磁攪拌器的電磁力數(shù)值，計算和試驗結果吻合較好，這為后續(xù)計算熔體流動現(xiàn)象、闡明流動規(guī)律奠定了良好基礎?？赡M計算合金的電磁場、溫度場和流場的三維模型已成功用于解析半固態(tài)AlSi9Mg 合金在電磁場作用下的凝固過程[58]，獲得了良好的效果。Wu 等[59]采用數(shù)值模擬方法研究了電磁場下AA3003/AA4045 鋁合金復層管坯的水平連鑄制備過程，建立了三維分析模型并對有無施加電磁場時的兩個水平連鑄過程分別進行全面模擬與分析。數(shù)值模擬結果表明，施加旋轉電磁攪拌后，鋁合金熔體的紊流作用增強，糊狀區(qū)的范圍增大，糊狀區(qū)的溫度梯度減小且溫度場變得均勻。實驗結果證實在電磁場作用下，復層管坯組織得到細化并且復合界面的元素擴散作用增強。Li 等[60]在麥克斯韋方程組和低雷諾數(shù)k-ε湍流模型的基礎上，開發(fā)了一個耦合的三維數(shù)值模型來描述大方坯結晶器中的電磁場和流場。通過實驗發(fā)現(xiàn)，通過對熔體施加電磁攪拌，可以有效影響熔體內(nèi)的流速。當熔體從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程中，熔體的最大回旋流速從0.42 ms-1降低至0.226 ms-1，流速變化較為明顯。

3 結語

電磁場在半固態(tài)合金中的應用成就了半固態(tài)合金技術的快速發(fā)展，是最常見和最成熟的半固態(tài)漿料制備方法之一。由電磁場產(chǎn)生的熔體流動，造成半固態(tài)合金的凝固是非平衡過程，其凝固組織也具有明顯的非線性特征，使得認知半固態(tài)合金熔體的凝固規(guī)律和闡明其機理也愈加困難。與其他方法制備的合金組織一樣，電磁場作用下半固態(tài)合金凝固組織的形成和演變是一個動態(tài)過程，特別是合金凝固時電磁場擾動對溫度場、濃度場和流場的影響可改變合金熔體中溶質的擴散、聚集與分布，導致合金凝固組織形貌和性能發(fā)生變化。鑒于電磁場作用下半固態(tài)鋁合金漿料制備的非平衡、非線性的特點，應該在傳統(tǒng)金屬凝固理論的基礎上，堅持探索和應用新的研究理論和方法，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，闡明機理，完善和豐富技術手段，以更好地指導半固態(tài)合金的研究、制備與應用。