静磁场下热电磁效应的数值模拟研究

卢振远

(西安航空学院 材料工程学院，西安710077)

0 引言

传统观点认为，液态金属凝固过程施加磁场有助于抑制金属熔体的流动，减轻偏析，改善凝固组织，从而改善金属材料的性能[1]。不过，最新研究发现，金属材料定向凝固过程中，由于热电效应的存在，凝固界面附近会产生热电流，热电流和磁场相互作用会在液相中产生热电磁流动，同时在固相上产生热电磁力，这一现象被称为热电磁效应[2-4]。热电磁效应与特征尺度有关，不同尺度(试样尺度和枝晶尺度)上的竞争导致了静磁场下金属材料凝固组织的演化与常规凝固过程的不同。

为了分析磁场对凝固过程的影响，研究人员采用实验和数值模拟等不同方法进行了大量研究。实验研究结果表明，施加磁场可导致凝固组织发生明显的改变。例如，实验研究发现随着磁场强度的增加可使凝固组织的晶粒细化，诱导柱状晶向等轴晶转变等。此外，施加磁场对金属材料的凝固组织也有一些负面影响，如雀斑的形成、凝固组织的倾斜、不规则的固液界面形状和宏观偏析等[5]。由于绝大多数实验研究都依赖于凝固事后的微观组织观察，无法确定凝固过程中的溶质传输，热流运动和晶体结构的拓扑演变，因此，实验研究的方法不易确定外加磁场对凝固组织演变的作用机制。与实验研究不同，数值模拟的方法为研究磁场下凝固组织的演化提供了新的有力工具[6-8]。采用数值模拟的方法可使磁场与凝固过程的耦合涉及更多的物理场，包括温度场、电磁场、流场和凝固动力学。……