但澤宇，趙江濤，李彥華，鄧元鑫，張云虎*，宋長江*

電磁攪拌作用下CoCrMo合金熔模鑄件凝固細(xì)晶研究

但澤宇1，趙江濤1，李彥華2，鄧元鑫2，張云虎1*，宋長江1*

（1.上海大學(xué) 先進(jìn)凝固中心 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444； 2.無錫卡仕精密科技有限公司，江蘇 無錫 214105）

研究電磁攪拌對CoCrMo合金熔模鑄件晶粒尺寸的影響，解決熔模鑄造CoCrMo合金鑄件晶粒粗大的問題。將CoCrMo合金熔化后，在其凝固過程中分別施加不同工藝參數(shù)的電磁攪拌，并對其凝固后的組織進(jìn)行表征分析。同時，采用有限元法對電磁攪拌在金屬熔體中的電磁場和流場進(jìn)行數(shù)值模擬。在不同的電磁攪拌參數(shù)下，CoCrMo合金鑄件凝固組織出現(xiàn)了不同程度的細(xì)晶效果，澆道處的細(xì)晶效果優(yōu)于鑄件試棒處的。鑄件試棒處的晶粒尺寸最小能控制在1 mm以下，等軸晶率最高能提升至31%。數(shù)值模擬結(jié)果表明，在電磁攪拌過程中，鑄件試棒的磁場、電流和洛倫茲力都呈周期性變化，鑄件試棒內(nèi)部的流速隨攪拌時間的延長而增大，最后趨于穩(wěn)定。電磁攪拌對CoCrMo合金的凝固組織產(chǎn)生了明顯的細(xì)化效果，促進(jìn)了柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變。電磁攪拌的時間越長，鑄件凝固組織的細(xì)化效果越好，鑄件厚大部位的細(xì)晶效果越顯著。結(jié)合實驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在電磁攪拌過程中，熔體流動引發(fā)枝晶斷裂是晶粒細(xì)化的主要原因，而電磁場促進(jìn)異質(zhì)形核為次要原因。

熔模鑄造；CoCrMo合金；晶粒細(xì)化；電磁攪拌；數(shù)值模擬

隨著社會和時代的發(fā)展，越來越多的金屬被用于醫(yī)療領(lǐng)域。常用的醫(yī)用金屬材料包括鈦合金、鈷基合金和不銹鋼等。從耐蝕性和力學(xué)性能的角度來看，鈷基合金是極優(yōu)良的材料之一，它植入人體后一般會保持鈍化狀態(tài)且點蝕傾向非常小，對應(yīng)力腐蝕斷裂也不敏感[1]。鈷基合金的耐腐蝕性遠(yuǎn)強(qiáng)于不銹鋼的，生物相容性與不銹鋼的相當(dāng)，耐磨性是所有醫(yī)用金屬材料中最好的。因此，相對于傳統(tǒng)的醫(yī)用不銹鋼，鈷基合金更適合用作體內(nèi)承載條件苛刻的長期植入品[2]。

符合ASTM F75標(biāo)準(zhǔn)的CoCrMo合金具備了鈷基合金的所有優(yōu)點，具備優(yōu)異的耐腐蝕、耐磨性，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。相關(guān)研究表明，CoCrMo合金作為骨科移植材料無細(xì)胞毒性，在人體體液的環(huán)境中具有比其他金屬都要好的耐蝕耐磨以及抗生物腐蝕性能[3]，以及很好的抗拉強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度，適合服役時間長、不會骨折和需耐應(yīng)力疲勞的部位[4]。

CoCrMo合金通常采用熔模鑄造技術(shù)生產(chǎn)，因為這種生產(chǎn)方式可以以非常低的成本生產(chǎn)出復(fù)雜形狀的矯形植入物，并且其尺寸和公差能夠滿足鑄件的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)[5]。然而與粉末冶金和鍛造相比，CoCrMo合金鑄件具有較低的抗疲勞性和延展性，并存在無法避免的鑄造缺陷，如孔隙、化學(xué)不均勻性和晶粒粗大[6-7]。

細(xì)化金屬凝固組織是改善金屬材料性能的重要方法，晶粒細(xì)化可減少鑄件缺陷，如孔隙率、收縮率和熱撕裂傾向，提高鑄件產(chǎn)品的耐腐蝕性和可加工性，并增強(qiáng)蠕變性能[8]。常用的細(xì)化晶粒方法有兩種：化學(xué)方法，通過向金屬熔體中加入孕育劑或者變質(zhì)劑來提升形核率或者抑制晶核長大，以達(dá)到細(xì)化晶粒的目的[9-11]；物理方法，通過機(jī)械攪拌[12]、超聲場[13-14]、脈沖電流[15]、電磁攪拌[16-18]和脈沖磁場[19-20]等方式，對金屬熔體施加外部擾動來細(xì)化晶粒。

電磁攪拌具有操作簡單和效率高等特點，在冶金領(lǐng)域常被用來細(xì)化鋼的凝固組織。電磁攪拌是利用電磁力驅(qū)動金屬熔體流動，改善金屬熔體凝固過程中對流和傳熱的過程[21]。攪拌電磁力的離心效應(yīng)可以大幅提升熔池的溫度場均勻度，使熔池內(nèi)金屬液中的溶質(zhì)混合均勻[22]。它具有凈化熔體、改善微觀組織和均質(zhì)溶質(zhì)元素、提高合金質(zhì)量的功能，能夠在細(xì)化金屬凝固組織的同時增大鑄坯等軸晶率、促進(jìn)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變（Columnar to-Equiaxed transition，CET）、減輕鑄坯偏析[23]。Willers等[24]研究了在鉛錫合金凝固過程中施加旋轉(zhuǎn)磁場對凝固組織的影響。研究表明，旋轉(zhuǎn)磁場改變了熔體中的溫度場和流場分布，降低了固液界面前沿的溫度梯度，并且隨著旋轉(zhuǎn)磁場泰勒數(shù)的增大，CET發(fā)生位置會向熔體底部移動。電磁攪拌技術(shù)還能夠提升金屬材料的力學(xué)性能[25-27]，經(jīng)旋轉(zhuǎn)磁場處理后，材料的顯微硬度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都會明顯增大。?adirli等[28]研究發(fā)現(xiàn)，在施加旋轉(zhuǎn)磁場的情況下，Al-Cu-Co合金的顯微硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別增大了72%、21%、20%。

目前學(xué)者們對CoCrMo合金的研究主要集中在其相組成、組織形貌和固態(tài)相變方面，而關(guān)于在凝固過程中使用電磁攪拌處理的研究鮮有報道。本文研究了電磁攪拌對CoCrMo熔模鑄件凝固組織的影響，揭示了電磁攪拌對晶粒尺寸的影響規(guī)律和作用機(jī)制。

1 實驗

1.1 材料及樣品制備

旋轉(zhuǎn)磁場裝置由旋轉(zhuǎn)磁場電源控制柜和磁場發(fā)生裝置組成。旋轉(zhuǎn)磁場電源控制柜可向線圈中輸入電流有效值為5～350 A、頻率為5～50 Hz的三相交流電。磁場發(fā)生裝置由6組50匝的銅導(dǎo)線線圈、由硅鋼片疊加而成的鐵芯、冷卻循環(huán)水路以及外殼組成。線圈之間采用星形接法相連，旋轉(zhuǎn)磁場裝置接線示意圖如圖1所示。其中每對“N-S”指代一組線圈，相對的線圈通入同相位（分別以U、V、W表示）的交流電，相鄰的線圈通入相位差為120°的交流電。

圖1 旋轉(zhuǎn)磁場裝置接線示意圖

將熔模鑄造模殼預(yù)熱到設(shè)定溫度，把合金裝入模殼上部的熔煉位置，并放入真空快熔設(shè)備中進(jìn)行感應(yīng)加熱，待其熔化后流入模殼中，將裝有金屬熔體的模殼轉(zhuǎn)移至電磁攪拌線圈內(nèi)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)移時間約15 s。電磁攪拌線圈在放入模具之前已經(jīng)按照設(shè)定的電磁參數(shù)開啟。待電磁攪拌處理時長達(dá)到設(shè)定值后，停止電磁攪拌，拿出模具放入指定位置進(jìn)行冷卻。一共進(jìn)行了4組凝固實驗，其中1組實驗的樣品為對比樣品，其形狀和尺寸如圖2所示；其余3組實驗的電磁參數(shù)一致，區(qū)別在于攪拌時間和攪拌工況不同，具體參數(shù)如表1所示。

1.2 表征及測試方法

利用線切割技術(shù)將所制備的鑄件試棒從中間一分為二，并對剖面進(jìn)行磨拋處理。宏觀腐蝕液為100 mL鹽酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%～38%）+2 mL雙氧水（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%）+18 mL水的混合溶液。采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～3.5%的Nital溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～3.5%的硝酸+97%～96.5%的無水乙醇）在20 V電壓下對CoCrMo合金電解腐蝕10 s后觀察微觀組織。采用正置金相顯微鏡CDM-812對CoCrMo合金的不同位置拍攝馬賽克拼接金相圖，如圖3所示，并用截線法統(tǒng)計晶粒尺寸：統(tǒng)計截線上通過晶界的交點，并匯總計算出平均晶粒尺寸（截線長/截點數(shù)）。

圖2 顯微鏡不同拍攝位置示意圖

圖3 截線法統(tǒng)計晶粒示意圖

利用商業(yè)軟件COMSOL Multiphysics（簡稱COM- SOL）對電磁攪拌作用下金屬熔體電磁場和流場進(jìn)行數(shù)值模擬。該軟件基于有限元法，按照幾何建模、物性參數(shù)、初始條件和邊界條件、網(wǎng)格劃分和求解器設(shè)置的順序建立數(shù)值模型。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀組織和細(xì)晶效果

經(jīng)表1電磁攪拌參數(shù)處理后的CoCrMo合金鑄件試棒宏觀組織如圖4所示。可以看出，未施加電磁攪拌的樣品即試樣a晶粒粗大，而電磁處理后樣品的晶粒都有不同程度的細(xì)化。試樣b是模殼放入電磁攪拌器后再啟動電磁處理，與另外2個電磁攪拌一直開啟處理的試樣相比，其晶粒更粗大。試樣d的電磁攪拌處理時間相較于試樣c的更長，兩者最主要的區(qū)別是試樣d中部晶粒更為細(xì)小。綜上所述，試樣d的電磁攪拌處理效果最好。

表1 實驗電磁攪拌參數(shù)

Tab.1 Experimental electromagnetic stirring parameters

圖4 電磁攪拌作用下CoCrMo合金鑄件試棒的宏觀組織

通過截線法所測的晶粒尺寸和面積法所得的等軸晶率如表2所示。通過對比可以看出，該結(jié)果與圖4中的宏觀組織基本相符。未經(jīng)電磁攪拌處理的試樣晶粒尺寸為電磁攪拌處理過后的試樣晶粒尺寸的2～4倍，而其等軸晶率僅為處理后試樣的一半。此外，對比試樣b～d可以看出，試樣d的晶粒尺寸和等軸晶率最好，其晶粒尺寸基本控制在1 mm以下，等軸晶率提升至31%。這與圖4中凝固組織的變化規(guī)律相一致。

表2 電磁攪拌作用下CoCrMo合金鑄件試棒的不同區(qū)域晶粒尺寸和等軸晶率

Tab.2 Grain size and equiaxed grain rate in different regions of CoCrMo alloy cast bars under electromagnetic stirring

為了進(jìn)一步驗證上述電磁攪拌對CoCrMo鑄件的凝固細(xì)晶效果，對其澆道位置進(jìn)行了宏觀組織分析。電磁攪拌處理后CoCrMo合金鑄件試棒澆道處宏觀組織如圖5所示?？梢钥闯?，經(jīng)電磁攪拌處理后，澆道處組織的細(xì)晶效果顯著，都為細(xì)小等軸晶。這與圖4鑄件試棒的結(jié)果一致。并且電磁攪拌在澆道中的細(xì)晶效果要優(yōu)于鑄件試棒位置的細(xì)晶效果。這主要是因為此處尺寸較大，且為圓環(huán)狀，利于電磁攪拌在其中產(chǎn)生攪拌作用。

2.2 微觀組織和二次枝晶臂間距

經(jīng)表1電磁攪拌參數(shù)處理后，CoCrMo合金鑄件試棒中部金相組織如圖6所示?？梢钥闯?，所有鑄件試棒凝固組織都為樹枝狀，且從邊緣到試棒中心都出現(xiàn)了柱狀樹枝晶向等軸樹枝晶的轉(zhuǎn)變。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，試樣d邊緣處的柱狀樹枝晶最為細(xì)小，試樣a的柱狀樹枝晶最為粗大。上述4個鑄件試棒中心等軸樹枝晶也是相同的規(guī)律。這與宏觀組織和晶粒尺寸測量結(jié)果一致。

圖5 電磁攪拌處理后CoCrMo合金鑄件試棒澆道處宏觀組織

圖6 電磁攪拌處理后CoCrMo鑄件試棒中部金相組織

經(jīng)統(tǒng)計，試樣a～d中部凝固組織的二次枝晶臂間距分別為19.8±2.0、20.7±1.0、21.3±3.0、15.2±1.2 mm?？梢钥闯觯嚇觗的二次枝晶臂間距較小，其余試樣的二次枝晶臂間距基本一致。

2.3 數(shù)值模擬

為了能夠更好地理解電磁攪拌對鑄件的作用機(jī)理，對電磁攪拌作用下鑄件試棒的電流、磁場、洛倫茲力和流場進(jìn)行了數(shù)值模擬。由于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的交流電頻率為10 Hz，因此，交流電流的周期為0.1 s。

在電磁攪拌作用下不同時間段CoCrMo合金鑄件試棒的磁場分布如圖7所示。當(dāng)時間=0.182 s時，通入交流電后，線圈產(chǎn)生的磁場方向沿平行于軸的正方向穿過整個鑄件。當(dāng)經(jīng)過1/4周期后即=0.207 s時，磁場方向沿平行于軸的負(fù)方向穿過整個鑄件。當(dāng)=0.232 s時，磁場方向沿平行于軸的負(fù)方向穿過整個鑄件。當(dāng)=0.257 s時，磁場方向沿平行于軸的負(fù)方向穿過整個鑄件。這說明在一個周期內(nèi)，磁場方向在不斷變化且呈逆時針旋轉(zhuǎn)，在整個循環(huán)周期內(nèi)，穿過鑄件的磁場大小基本不變。

在一個循環(huán)周期內(nèi)，CoCrMo合金鑄件試棒不同時間段的感應(yīng)電流的分布情況如圖8所示?？梢钥吹?，當(dāng)=0.182 s時，產(chǎn)生了沿平行于軸正方向且穿過整個鑄件的磁場，由電磁感應(yīng)定律可知，此時產(chǎn)生的感應(yīng)電流平行于軸，并且面的感應(yīng)電流最大且電流方向為逆時針方向，面的電流大小基本為0 A。同理可知，當(dāng)=0.207 s時，產(chǎn)生的感應(yīng)電流在面上最大且電流方向為順時針；當(dāng)=0.232 s時，產(chǎn)生的感應(yīng)電流在面上最大且電流方向為順時針；當(dāng)=0.257 s時，產(chǎn)生的感應(yīng)電流在面上最大且電流方向為逆時針。在整個循環(huán)過程中，感應(yīng)電流都平行于軸，而且鑄件中間位置的感應(yīng)電流最大。

由于在整個過程中電流方向均平行于軸，結(jié)合圖7所示的磁場方向，可以推出它們相互作用產(chǎn)生的洛倫茲力平行于面，如圖9所示。當(dāng)=0.182 s和=0.232 s時，產(chǎn)生的洛倫茲力平行于軸且在圖9a和圖9c的上下部分方向相反、大小相等；當(dāng)=0.207 s和=0.257 s時，產(chǎn)生的洛倫茲力平行于軸且在圖9b和圖9d的左右部分方向相反、大小相等。根據(jù)圖7～9可以總結(jié)出一個規(guī)律，即在一個循環(huán)周期內(nèi)，洛倫茲力的方向隨著磁場方向的改變而改變，呈逆時針旋轉(zhuǎn)，且與磁場方向的變化一致，并且在整個過程中鑄件中部的洛倫茲力明顯大于其他部位的，這與感應(yīng)電流的分布相符合。

從圖9可以看出，在整個循環(huán)過程中，洛倫茲力的變化方向為逆時針方向，因此，在凝固過程中，熔體會受到洛倫茲力的影響而產(chǎn)生逆時針流動。在電磁攪拌過程中，不同時間段下CoCrMo合金的流場分布情況如圖10所示。在電磁攪拌的初始階段，鑄件熔體的流速較慢，隨著時間的推移，熔體的流速增快并逐漸趨于穩(wěn)定。澆道和鑄件厚大部位的流速較快，并且表面處流速大于內(nèi)部流速，鑄件中部的流速較小。

2.4 討論

目前，電磁場凝固細(xì)晶機(jī)制可以分為兩大類：熔體流動引發(fā)枝晶斷裂；電磁場促進(jìn)異質(zhì)形核。熔體流動引發(fā)枝晶斷裂常被視為電磁攪拌實現(xiàn)凝固細(xì)晶的主要機(jī)制。當(dāng)外部線圈通入交流電后，如圖7～10的數(shù)值模擬所示，會在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生渦流，使金屬熔體發(fā)生流動，這種流動的驅(qū)動力是洛倫茲力。由Zhang等[29]的研究可知，得到的洛倫茲力如式（1）所示。

式中：為絕對磁導(dǎo)率；為交流頻率；為外加電壓；為合金電導(dǎo)率；為與線圈匝數(shù)、線圈尺寸和電阻率有關(guān)的系數(shù)；為合金電阻。在旋轉(zhuǎn)磁場凝固的初始階段，由于模殼的溫度低于熔體溫度，因此金屬熔體最先從外部開始凝固，向內(nèi)部生長出樹枝晶。但由于洛倫茲力驅(qū)動熔體流動，在凝固過程中產(chǎn)生了溫度起伏和溶質(zhì)起伏。在凝固過程中，溫度較高的熔體被帶到了樹枝晶的前端，導(dǎo)致二次枝晶臂熔斷，并且隨著金屬熔體的流動而被帶到其他部位，這些熔斷的枝晶會游離至熔體的各個部分充當(dāng)晶核繼續(xù)長大。同時，熔體流動使固液界面前沿溫度梯度降低，被熔體流動攜帶的枝晶會在此長大為等軸晶[30]，當(dāng)?shù)容S晶比例超過臨界值時，柱狀晶停止生長。Chen等[31]研究發(fā)現(xiàn)，在電磁攪拌過程中材料會發(fā)生成核、枝晶破碎、最后長大3種現(xiàn)象。熔體流動能將表面活性元素Cr、Mo推到固液界面前部，在凝固過程中在晶界處富集，使晶粒生長受限，從而降低了生長速率，達(dá)到了晶粒細(xì)化的效果。

圖9 電磁攪拌作用下不同時間段CoCrMo合金鑄件試棒洛倫茲力分布圖

圖10 電磁攪拌作用下不同時間段CoCrMo合金鑄件試棒流場分布圖

在凝固過程中施加電磁場促進(jìn)異質(zhì)形核也是電磁場凝固細(xì)晶的原因之一。Wang等[32]通過計算得出電磁攪拌過程中熔體的過冷量，如式（2）所示。

式中：0為真空磁導(dǎo)率；為磁化率；Δm為凝固潛熱；1、2為外加電壓；1、2為交流頻率。當(dāng)1=2、2>1，或當(dāng)1=2、2<1時，Δ>0，即在旋轉(zhuǎn)頻率等其他參數(shù)一致的情況下，電壓的增大會導(dǎo)致過冷度增大，在電阻不變的情況下，電流的增大也會導(dǎo)致過冷度增大。臨界核半徑與過冷度的關(guān)系如式（3）所示。

式中：為臨界核半徑；Δr為體積自由能的變化；單位表面積的界面能；m為平衡結(jié)晶溫度；m為結(jié)晶潛熱。從式（3）可以知道，臨界核半徑隨著過冷度的增大而減小。晶體核的形核能降低，形核率增大，進(jìn)而導(dǎo)致晶粒細(xì)化。

結(jié)合實驗結(jié)果以及數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，鑄件澆道處的細(xì)晶效果優(yōu)于鑄件試棒中部區(qū)域的，試棒中部的細(xì)晶效果優(yōu)于兩端的。鑄件厚大部位的流動強(qiáng)度明顯強(qiáng)于鑄件其他部位的，可以推測：電磁攪拌對鑄件的厚大部位有較好的細(xì)化效果，熔體流速越大的部位細(xì)晶效果越好。從圖9可以看到，鑄件中部的洛倫茲力要大于其他部位的，但由圖10可知，鑄件中部區(qū)域的流速要低于其他部位的，這是因為鑄件中部尺寸較小而且流通性不如其他部位，從而導(dǎo)致流速最小。結(jié)合圖8和圖10可知，鑄件試棒區(qū)域的流速基本相同，但是試棒中部的感應(yīng)電流大于兩端的。結(jié)合實驗結(jié)果可知，電磁攪拌細(xì)化晶粒不僅只有熔體強(qiáng)制流動的因素，還有電流對熔體的影響，在熔體流速差別不大的情況下電流大的區(qū)域的細(xì)晶效果更好，因此鑄件試棒中部實際的細(xì)晶效果優(yōu)于兩端的。由圖6可知，經(jīng)過統(tǒng)計后試樣d的二次枝晶臂間距最小而其余二次枝晶臂間距基本一致。由凝固理論可知，二次枝晶臂間距與冷速相關(guān)，間距越小表明冷速越大。出現(xiàn)上述現(xiàn)象是因為較長時間的攪拌促進(jìn)了熔體對流，加快了試樣中心與邊緣的熱量交換，從而加快了熱量從邊緣散失，提高了冷速，導(dǎo)致二次枝晶臂間距減小。

總結(jié)實驗結(jié)果可以看出，熔體流速大的區(qū)域雖然電流較小，但實際細(xì)晶效果較好，而在流速小的區(qū)域，盡管感應(yīng)電流較大，但實際細(xì)晶效果較差；當(dāng)熔體流速相近時，電流大的區(qū)域的細(xì)晶效果優(yōu)于電流小的區(qū)域的。因此，在電磁攪拌過程中，熔體流動引發(fā)枝晶斷裂是促進(jìn)晶粒細(xì)化的主要原因，而電磁場促進(jìn)異質(zhì)形核為次要原因。Liotti等[33]利用X射線同步加速器技術(shù)原位觀察到，在電磁場作用下，材料非枝晶微觀結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制主要為枝晶破碎。很多研究也表明，在旋轉(zhuǎn)磁場作用下，金屬凝固組織細(xì)化的主要原因是旋轉(zhuǎn)磁場引起的強(qiáng)制流動導(dǎo)致糊狀區(qū)內(nèi)的樹枝晶發(fā)生枝晶臂熔斷，進(jìn)而實現(xiàn)晶粒增殖[34]。

3 結(jié)論

研究了電磁攪拌對CoCrMo合金熔模鑄件凝固過程中晶粒細(xì)化的影響。得出以下結(jié)論：

1）在合金凝固過程中施加旋轉(zhuǎn)磁場可以較為明顯地改變合金的組織形貌，使組織中的柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，并且隨著攪拌時間的延長，晶粒細(xì)化效果變好。在電磁攪拌作用下，CoCrMo合金鑄件的晶粒尺寸能夠基本控制在1 mm以下，等軸晶率可以提升至31%。

2）由數(shù)值模擬結(jié)果可知，通入交流電后，線圈會產(chǎn)生磁場并使鑄件內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生洛倫茲力驅(qū)動熔體強(qiáng)制流動。在一個周期內(nèi)，隨著時間的延長，鑄件不同位置的磁場、感應(yīng)電流和洛倫茲力的大小和方向都發(fā)生了變化，產(chǎn)生一個周期性變化的旋轉(zhuǎn)磁場、電流和洛倫茲力，最終驅(qū)動金屬熔體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動。

3）澆道處晶粒尺寸的細(xì)化效果比試棒位置的更加明顯，通過數(shù)值模擬可知，這是因為在鑄件的厚大部位產(chǎn)生了更強(qiáng)的熔體流動，表明在電磁攪拌過程中熔體流動引發(fā)枝晶斷裂是促進(jìn)晶粒細(xì)化的主要原因，而電磁場促進(jìn)異質(zhì)形核為次要原因。

[1] HU R, ORNBERG A, PAN J. Investigation of Influence of Small Particles in MP35N on the Corrosion Resistance in Synthetic Biological Environment[J]. Journal of the Electrochemical Society, 2009, 156(10): 341-344.

[2] YOUNKIN C N. Multiphase MP35N Alloy for Medical Implants[J]. Journal of Biomedical Materials Research, 1974, 8(3): 219-226.

[3] YAMANAKA K, MORI M, CHIBA A, et al. Nanoarchitectured Co-Cr-Mo Orthopedic Implant Alloys: Nitrogen-Enhanced Nanostructural Evolution and Its Effect on Phase Stability[J]. Acta Biomaterialia, 2013, 9(4): 6259-6267.

[4] KASSAB M M, COHEN R E. The Etiology and Prevalence of Gingival Recession[J]. Journal of the American Dental Association, 2003, 134(2): 220-225.

[5] GIACCHI J, MORANDO C, FORNARO O, et al. Microstructural Characterization of As-Cast Biocompatible Co-Cr-Mo Alloys[J]. Materials characterization, 2011, 62(1): 53-61.

[6] 時俊克, 廖敦明, 陳宇豪, 等. 鈦合金立式離心熔模鑄造凝固缺陷數(shù)值模擬[J]. 特種鑄造及有色合金, 2022, 42(11): 1360-1365.SHI Jun-ke, LIAO Dun-ming, CHEN Yu-hao, et al. Numerical Simulation of Solidification Defects in Titanium Alloy by Vertical Centrifugal Investment Casting[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2022, 42(11): 1360-1365.

[7] LEE S H, TAKAHASHI E, NOMURA N, et al. Effect of Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of Ni-and C-Free Co-Cr-Mo Alloys for Medical Applications[J]. Materials Transactions, 2005, 46(8): 1790-1793.

[8] BAMBERGER M. Structural Refinement of Cast Magnesium Alloys[J]. Materials Science and Technology, 2001, 17(1): 15-24.

[9] ZHANG Y H, YE C Y, SHEN Y P, et al. Grain Refinement of Hypoeutectic Al-7wt.%Si Alloy Induced by an Al-V-B Master Alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2020, 812: 152022.

[10] ZHAO C, LI Y, XU J, et al. Enhanced Grain Refinement of Al-Si Alloys by Novel Al V-B Refiners[J]. Journal of Materials Science and Technology, 2021, 94: 104-112.

[11] 徐紅偉. 鎂合金石墨烯變質(zhì)劑的制備及晶粒細(xì)化研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2020: 35-41. XU Hong-wei. The Preparation of In-Situ Graphene Inoculation and Its Effect on Grain Refinement of Magnesium Alloys[D]. Harbin: Harbin Institute of Technoloy, 2020: 35-41.

[12] CHATURVEDI V, TALAPANENI T. Effect of Mechanical Vibration and Grain Refiner on Microstructure and Mechanical Properties of AZ91Mg Alloy during Solidification[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2021, 30(5): 3187-3202.

[13] XU C, YUAN X. Effect of Ultrasonic Field Parameters on Interfacial Characteristics and Mechanical Properties of Mg Alloy Welding Joint[J]. Materials Letters, 2022, 306: 130962.

[14] LUO B, HE Y, LI K, et al. Effect of Ultrasonic Field on Grain Refinement and Stress Relaxation of Be Films by Thermal Evaporation[J]. Materials Science and Engineering: B, 2020, 253: 114436.

[15] HAO, X, LIU W, MA T, et al. Study on the Heterogeneous Nucleation Mechanism of SiCp/AZ91 Magnesium Matrix Composites under Pulse Current[J]. Materials, 2023, 16(5): 1993.

[16] 洪鑫, 劉政, 張課微, 等. 電磁攪拌下電流突變對磁場及半固態(tài)A356鋁合金組織的影響[J]. 特種鑄造及有色合金, 2021, 41(11): 1393-1399. HONG Xin, LIU Zheng, ZHANG Ke-wei, et al. Effects of Current Mutation on Electromagnetic Field and Solidified Microstructure in Semi-solid A356 Aluminum Alloy under Electromagnetic Stirring[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2021, 41(11): 1393-1399.

[17] 喬雪垠, 聶斌. 電磁攪拌電流對鑄態(tài)TiB2顆粒增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)鋼性能的影響[J]. 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報, 2021, 41(7): 683-686. QIAO Xue-yin, NIE Bin. Effect of Electromagnetic Stirring Current on the Properties of As-Cast TiB2Reinforced Structural Steel[J]. Chinese Journal of Vacuum Science and Technology, 2021, 41(7): 683-686.

[18] YAN Z, SHI Z, XIE J, et al. Effect of Rotating Magnetic Field (RMF) on the Microstructure and Mechanical Properties of Al-2%Fe Eutectic Alloy[J]. Materials Science and Engineering: A, 2022, 856: 143985.

[19] ABDELHAKEM A, HACHANI L, ZAIDAT K, et al. Experimental Study of the Effect of Intermittent Electromagnetic Stirring on the Columnar-Equiaxed Transition in Sn-10wt.% Pb Alloy Solidification[J]. Journal of Heat Transfer, 2021, 143(6): 201363.

[20] HATI? V, MAVRI? B, KO?NIK N, et al. Simulation of Direct Chill Casting under the Influence of a Low-Fre-quency Electromagnetic Field[J]. Applied Mathematical Modelling, 2018, 54: 170-188.

[21] KHELFI S, ABDELHAKEM A, NOURI A, et al. Numerical Modeling and Experimental Analysis of Benchmark Experiment of Sn-10wt%Pb Alloy under Forced Convection by Electromagnetic Stirring[J]. Journal of Crystal Growth, 2022, 584: 126575.

[22] 韓靜靜, 任能, 李軍, 等. Ti2AlNb合金錠真空自耗過程宏觀偏析的數(shù)值模擬[J]. 中國冶金, 2022, 32(12): 32-39. HAN Jing-jing, REN Neng, LI Jun, et al. Numerical Simulation of Macrosegregation in Vacuum Arc Remelting Process of Ti2AlNb Alloy Ingot[J]. China Metallurgy, 2022, 32(12): 32-39.

[23] METAN V, EIGENFELD K, R?BIGER D, et al. Grain Size Control in Al-Si Alloys by Grain Refinement and Electromagnetic Stirring[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2009, 487(1): 163-172.

[24] WILLERS B, ECKERT S, MICHEL U, et al. The Columnar-to-Equiaxed Transition in Pb Sn Alloys Affected by Electromagnetically Driven Convection[J]. Materials Science and Engineering: A, 2005, 402(1): 55-65.

[25] 賈耀申, 段改莊, 李軍, 等. 電流對電磁攪拌TiB2/AZ91B鎂合金組織及力學(xué)性能的影響[J]. 熱加工工藝, 2022, 51(18): 72-75. JIA Yao-shen, DUAN Gai-zhuang, LI Jun, et al. Effects of Electromagnetic Stirring Current on Microstructure and Mechanical Properties of TiB2/AZ91B Magnesium Alloy[J]. Hot Working Technology. 2022, 51(18): 72-75.

[26] 郭偉, 洪志遠(yuǎn), 陳巖, 等. 電磁攪拌對Cu-2Ag合金凝固組織及性能的影響[J]. 特種鑄造及有色合金, 2022, 42(1): 73-77. GUO Wei, HONG Zhi-yuan, CHEN Yan, et al. Effects of Electromagnetic Stirring on the Solidification Microstructure and Properties of Cu-2Ag Alloy[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2022, 42(1): 73-77.

[27] 董彥非, 石磊, 劉力銘. 電磁攪拌對Cu-Fe合金鑄錠凝固組織和性能的影響[J]. 特種鑄造及有色合金, 2021, 41(10): 1234-1237. DONG Yan-fei, SHI Lei, LIU Li-ming. Effects of Electromagnetic Stirring on the Solidification Microstructure and Properties of the Cu-Fe Alloy Ingot[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2021, 41(10): 1234-1237.

[28] ?ADIRLI E, KAYA H, R?BIGER D, et al. Effect of Rotating Magnetic Field on the Microstructures and Physical Properties of Al-Cu-Co Ternary Eutectic Alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2015, 647: 471-480.

[29] Zhang Hai-tao, NAGAUMI H, JIANZHONG C U I. Coupled Modeling of Electromagnetic Field, Fluid Flow, Heat Transfer and Solidification during Low Frequency Electromagnetic Casting of 7XXX Aluminum Alloys. Part Ⅱ: The Effects of Electromagnetic Parameters on Casting Processes[J]. Materials Science & Engineering A, Structural Materials: Properties, Microstructure and Processing, 2007, 448(1/2): 177-188.

[30] HELLAWELL A, LIU S, LU S Z. Dendrite Fragmentation and the Effects of Fluid Flow in Castings[J]. JOM, 1997, 49(3): 18-20.

[31] CHEN Y, ZHANG L, LIU W, et al. Preparation of Mg-Nd-Zn-(Zr) Alloys Semisolid Slurry by Electromagnetic Stirring[J]. Materials & Design, 2016, 95: 398-409.

[32] WANG C, CHEN A, ZHANG L, et al. Preparation of an Mg-Gd-Zn Alloy Semisolid Slurry by Low Frequency Electro-Magnetic Stirring[J]. Materials & Design, 2015, 84: 53-63.

[33] LIOTTI E, LUI A, VINCENT R, et al. A Synchrotron X-ray Radiography Study of Dendrite Fragmentation Induced by a Pulsed Electromagnetic Field in an Al-15Cu Alloy[J]. Acta Materialia, 2014, 70: 228-239.

[34] BODEN S, WILLERS B, ECKERT S, et al. Observation of Dendritic Growth and Fragmentation in Ga-In Alloys by X-ray Radioscopy[J]. International Journal of Cast Metals Research, 2009, 22(1/2/3/4): 30-33.

Grain Refinement of Solidification Structure of CoCrMo Alloy Investment Castings under Electromagnetic 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, China)

The work aims to study the effect of electromagnetic stirring on the grain size of CoCrMo alloy investment castings, and solve the problem of coarse grain size in investment cast CoCrMo alloy castings. After melting CoCrMo alloy, electromagnetic stirring with different process parameters was applied during its solidification to characterize and analyze its solidified structure. At the same time, the finite element method was used to numerically simulate the electromagnetic field and flow field of electromagnetic stirring in metal melts. 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 below 1 mm, and the maximum equiaxed 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 with the prolongation of stirring time and eventually stabilizes. In conclusion, electromagnetic stirring has a significant refining effect on the solidification structure of CoCrMo alloy, promoting the transformation of columnar grains into equiaxed grains. The longer the electromagnetic stirring time, 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. Combining experimental and numerical simulation results, it is found that dendritic fracture caused by melt flow during electromagnetic stirring is the main reason for promoting grain refinement, while electromagnetic field promoting heterogeneous nucleation is the secondary reason.

investment casting; CoCrMo alloy; grain refinement; electromagnetic stirring; numerical simulation

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.10.006

TG244+.3

A

1674-6457(2023)10-0050-10

2023-08-22

2023-08-22

國家自然科學(xué)基金（52271034，51974183）；云南省材料基因工程Ⅱ期（202302AB080020）；上海市自然科學(xué)面上基金（22ZR1425000）

National Natural Science Foundation of China (52271034, 51974183); Science and Technology Major Project of Yunnan Province (202302AB080020); Nature Science Foundation of Shanghai (22ZR1425000)

但澤宇, 趙江濤, 李彥華, 等. 電磁攪拌作用下CoCrMo合金熔模鑄件凝固細(xì)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 Electromagnetic Stirring[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(10): 50-59.

責(zé)任編輯：蔣紅晨