關(guān)鍵詞：熱電磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)；水平定向凝固；穩(wěn)恒橫向強(qiáng)磁場；一次臂間距

Abstract
Al-4.0%Cu、Al-11%Si alloy is solidified under transverse static magnetic field at horizonatl directional
solidify device. The measured prime dendritic spacing, increasingly, oscilate with magnetic field intensity and dragging speed of solid-melt interface. The oscilation is caused by TEMHD and MHD.

Keywords: thermoelectric magnetohydrodynamic effect;
1. 引言
隨著電磁冶金技術(shù)、磁流體動(dòng)力學(xué)理論的不斷發(fā)展，利用外加磁場控制金屬凝固過程中 的熱量、質(zhì)量、動(dòng)量傳輸及液態(tài)金屬成型過程得到人們的廣泛重視。對于多相合金，溫度梯度、熱電能差及熱電效應(yīng)將對金屬凝固過程產(chǎn)生多方面影響。對于任意合金凝固過程，只要 存在不同溫度梯度和不同相之間的熱電能差，Seebeck 效應(yīng)就將發(fā)揮作用進(jìn)而產(chǎn)生電動(dòng)力 emf[1]，emf = - Sth×Gradient(T) ，其中，Sth 為熱電能，表明材料熱電能力的大小，同種材料 固相的熱電能大于液相；合金中導(dǎo)電能力大的成分含量越多的相，熱電能越大。該電動(dòng)力（即電場）推動(dòng)電荷運(yùn)動(dòng)形成熱電流 Jth，Jth/σ=-Sth×Gradient(T)。當(dāng)把外加磁場施加到合金凝固體系中時(shí)，外加磁場與速度場、熱電流場復(fù)合將對糊狀區(qū)枝晶網(wǎng)絡(luò)及固液界面前沿產(chǎn)生復(fù)雜 的作用和影響。一方面，外磁場與熱電流復(fù)合產(chǎn)生推動(dòng)溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)的熱電磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)
（TEHHD）[2]，形成熱電磁流體速度場（Jth×B）；另一方面，外加磁場與僅由溫度梯度形成 的液相對流速度場及新形成的熱電磁流體速度場復(fù)合作用，產(chǎn)生抑止流體運(yùn)動(dòng)的磁制動(dòng)效應(yīng)
（MHD）[3]，制動(dòng)力大小分別與 V×B 和 Jth×B×B 的大小相對應(yīng)，第 1 項(xiàng)與 B 成正比，第 2
項(xiàng)與 B2 成正比。那么在某一特定凝固條件下 TEHHD 與 MHD 哪一個(gè)發(fā)揮主要作用及其發(fā) 揮主要作用的控制條件的確定，將成為實(shí)際利用外磁場控制金屬凝固過程首要解決的問題。
同時(shí)，TEHHD 與 MHD 的交互作用否存在相對穩(wěn)定階段以便于人為控制結(jié)晶組織形貌，也
需要我們對其進(jìn)行研究和驗(yàn)證。
2. 實(shí)驗(yàn)方法
將 Al-4.0%Cu、Al-11%Si 合金加工成 φ14×140 mm 的試樣，每次取用 1 個(gè)裝在 φ16（內(nèi) 徑）×150 mm 石英坩堝內(nèi)，兩側(cè)用石墨短棒封堵。安裝坩堝到如下圖 1 所式的水平定向凝固裝置上。開啟加熱系統(tǒng)使試樣充分熔融后，啟動(dòng)調(diào)速裝置牽引整套定向凝固系統(tǒng)水平右移，使試樣在固定不動(dòng)的情況下由左到右依次進(jìn)入冷卻系統(tǒng)經(jīng)歷降溫冷卻過。在此過程的同時(shí)，施加橫向穩(wěn)恒磁場。這樣，通過控制水平牽引速度、外加磁場強(qiáng)度參數(shù)，多組不同速
圖 1 水平定向凝固裝置結(jié)構(gòu)示意圖

度、磁場條件的試樣被制備出來。經(jīng)過對試樣的金相分析測量，繪制得出一次臂間距隨
外磁場強(qiáng)度、水平牽引速度的關(guān)系圖，用以分析探索熱電磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)在合金定向凝固 過程的作用及影響。
3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
通過對 Al-4.0%Cu 合金定向凝固條件下的實(shí)驗(yàn)，測得其一次枝晶臂間距隨外加磁場強(qiáng)度變 化的數(shù)據(jù)并繪制出相應(yīng)變化曲線如下圖 2 所示。
圖 2 一次臂間距與勵(lì)磁電流的關(guān)系

在牽引速度較小的 25µm/s 時(shí)，一次臂間距隨外磁場的增大先增大后減小，在勵(lì)磁電流
為 50A 時(shí)出現(xiàn)最大值，隨后不斷減小甚至出現(xiàn)小于未加磁場時(shí)的情況。隨著牽引速度的增 大，參看 40、50、70、100µm/s 曲線，一次臂間距呈現(xiàn)出震蕩增大現(xiàn)象，總體上看一次臂間 距隨外磁場增大而不斷增大，但增大過 程是反復(fù)波動(dòng)的，每次出現(xiàn)極大值后必然僅隨出現(xiàn)
一個(gè)極小值。

對于 Al-11%Si 合金，參見右圖 3，在牽引速 度較小的 20µm/s 時(shí)，一次臂間距隨外加磁 場增大呈現(xiàn)波動(dòng)反復(fù)現(xiàn)象，在經(jīng)歷了最初一段相對穩(wěn)定階段后一次臂間距開始增大，在 出現(xiàn)極大值后立即減小出現(xiàn)略小于最初穩(wěn) 定階段的極小值。其后，極大值與極小值交 替震蕩出現(xiàn)。在牽引速度 30µm/s 時(shí)，一次 臂間距在出現(xiàn)最初的穩(wěn)定段后立即減小出 現(xiàn)最小值，之后不斷增大，值得注意的是， 增大速度是漸緩的。隨著牽引速度的進(jìn)一步增大，參看 v50µm/s 和 v70µm/s 兩條曲線， 一次臂間距隨著外磁場的增大出現(xiàn)先增大
圖 3 一次臂間距與勵(lì)磁電流的關(guān)系

出現(xiàn)最大值然后不斷減小。特別是 v70µm/s 曲線在最小值出現(xiàn)后立即出現(xiàn)反彈增大現(xiàn)象。
各組 Al-4.0%Cu 合金縱剖金相照片（×100）見表 1。