难混溶合金是在凝固过程中存在液-液相别离的现象,别离出的差别液相间具有较大的密度差，弥散液相在重力场的感化下发作上浮或下沉的Stokes运动，同时因合金熔体凝固过程中的温度梯度的客不雅存在，弥散相液滴的运动将遭到因温度梯度引发的界面张力梯度招致的Marangoni效应影响。两种效应招致合金凝固组织产生严峻的宏不雅偏析，以至产生完全的两液相分层，严峻影响了其应用。但在另一方面，均量的难混溶合金具有奇特的物理化学性能和应用性，在汽车轴瓦、超导、电子封拆、磁电阻等范畴拥有庞大的开展前景，若何开发有效的均量难混溶合金造备办法是促进其应用的关键。Al系均量难混溶合金中Al-Bi，Al-Pb，Al-In等合金表示出的优良自光滑性，是抱负的汽车轴瓦质料；Ni颗粒弥散散布的Ag-Ni合金是优良的电接触质料；形变后具有Fe纤维组织的Cu-Fe合金是优良的高强高导合金；具有巨磁阻特征的颗粒膜状Cu-Co磁性合金可应用于磁存储元件上。
鉴于难混溶合金的凝固特点，接纳常规铸造工艺很难造备第二相弥散散布的均量难混溶合金。为处理难混溶合金的宏不雅偏析和加快其工业化应用，接纳了一系列的特殊造备工艺，可分为两类：①减小弥散相液滴的运动速度。接纳微重力从底子上制止弥散相液滴的Stokes运动，可通过以下体例，一是操纵航天飞翔器构建微重力情况，消弭重力的影响，二是在空中情况下，操纵落管法、落塔法模仿短时间微重力情况，此外还可通过电磁场模仿微重力情况；添加第三组元促进弥散相液滴形核或生成第三相障碍液滴运动，从而降低液滴的Stokes沉降速度；②削减凝固过程中弥散相液滴的运动沉降时间。操纵气雾化法，喷射堆积法，激光选区熔化法等快速凝固工艺，使得第二相液滴在难混溶区间内的停留时间大幅缩短，按捺难混溶合金熔体的液相别离。
近年来，在金属的凝固过程中施加外场的办法遭到了较多存眷，并构成了一系列有效的金属凝固造备手艺，外磁场可对金属的凝固组织产生重要的影响感化，并已经应用在钢铁等消费中。如在钢连铸过程中，可操纵交变磁场驱动熔体活动，实现晶粒细化、削减溶量宏不雅偏析等。电磁搅拌也可改善其他品种合金的凝固组织，如减小Cu-6Ag大尺寸铸锭凝固组织的宏不雅偏析，细化Fe基复合质料中的TiB2加强颗粒并进步抗拉强度和断裂应变。外磁场励磁安装无需与熔体接触，并可与其他的凝固办法相连系配合感化，因而具有普遍的应用前景。在金属凝固过程中施加的磁场包罗：交变磁场、通俗稳恒磁场、脉冲磁场、强磁场等。
2022年第42卷第12期《特种铸造及有色合金》杂志上颁发了中科院金属所何杰研究员为学术主编的相别离合金组织调控专题，东北大学张林研究员应邀颁发了题为“外加磁场在难混溶合金造备过程中的应用”， 文章论述了在通俗稳恒磁场、强磁场、交变磁场和复合电磁场等几种差别品种外加磁场感化下造备难混溶合金的研究现状，阐发了差别外加磁场对难混溶合金凝固过程中液-液别离的感化机造和对组织演变、性能的影响。针对重力感化下难混溶合金宏不雅偏析的次要原因是弥散相液滴停止Stokes运动和彼此碰碰长大，指出了差别类型磁场在熔体中的电磁力特点与感化原理，对熔体对流和弥散相液滴运动、凝并行为的影响机造，以及对难混溶合金微不雅组织与性能的改善效果，并介绍了模仿微重力、组织取向等磁场下的一些特特效应，为外加磁场在难混溶合金造备中的应用供给参考。
做者简介
[张林]
张林，东北大学特聘研究员，博士生导师。1979年出生于辽宁鞍山，2001年本科结业于东北大学，2004年和2008年于东北大学别离获得硕士和博士学位。2004年起头在东北大学工做，2011年聘为副传授。2011-2012年在美国国度强磁场尝试室访学。2021年成为东北大学特聘研究员。现次要处置难混溶合金、高强高导铜合金、耐热钢与弹簧钢等质料的造备手艺研究。先后主持国度天然科学基金面上项目、国度重点研发方案项目子课题、国度天然科学基金青年项目等项目7项。参与过国度863方案项目、国度面上天然科学基金、教育部科技重点项目等项目10余项。近年来，在金属质料造备范畴颁发论文60余篇(SCI收录30余篇)，此中第一做者颁发SCI论文18篇。
研究标的目的：难混溶合金、高强高导铜合金、耐热钢与弹簧钢
课题组或部分研究功效简介
所在的团队次要处置电磁场感化下高品量金属质料的造备研究，团队在国度重点研发方案、国度863方案项目、国度天然科学基金重点项目等的帮助下，开发了镍基高温合金的电磁场凝固控造、高强高导铜合金电磁造备、难混溶合金电磁造备等一系列原创性的电磁冶金与质料造备新手艺，获国度创造专利受权20余项，颁发学术论文400余篇(SCI 收录100余篇)，获多项省部级科技奖励。
1 稳恒磁场
1.1 通俗稳恒磁场
通俗稳恒磁场一般是指强度在1 T以下的曲流励磁安装产生的磁场。在外加稳恒磁场的感化下，金属熔体凝固过程中的对流会产生感生电流，电流与外加磁场耦合产生洛仑兹力，从而对金属熔体中的对流产生按捺感化。难混溶合金凝固过程中两种液相的彼此运动，是产生宏不雅偏析的重要原因。稳恒磁场对熔体对流的按捺感化可降低第二相液滴发作碰碰凝并的概率，从而细化弥散相液滴。
(a) Cu-Pb (b) Cu-Pb-La (c) Cu-Pb-La
图1 有无磁场感化下Cu-Pb和Cu-Pb-La合金凝固组织
稳恒磁场还能够与定向凝固等办法相连系利用，磁场一般沿定向凝固安装的生长标的目的横向施加。强度较低的通俗稳恒磁场对Marangoni迁徙速度与Stokes末端速度的减小感化较小，对凝固过程的次要影响是对熔体对流的按捺感化。通俗稳恒磁场对凝固组织的感化效果虽不及强磁场，但磁体的有效感化空间大，励磁安装成本低，更易在工业消费中停止应用。
1.2 稳恒强磁场
强磁场安装可分为超导磁体、水冷电阻磁体和混合磁体，后两者固然强度更高，但孔径较小，当前大都用于质料造备的强磁场安装为超导磁体。跟着超导手艺的前进，使得10 T以上的超强磁场得到普遍应用，图2为强磁场连系加热炉的试验安装示企图及难混溶合金弥散相液滴的碰碰模子。跟着磁感应强度的加强，施加于难混溶合金中弥散相液滴的Lorentz力更大，对液滴运动的按捺效果也更显著。此外，强磁场感化下非铁磁性物量也会遭到磁化能和磁化力的感化，从而对凝固组织产生取向等特特效应。
(a) 强磁场与实空加热炉组合示企图
(b) 强磁场感化下难混溶合金弥散相液滴的碰碰模子
图2 强磁场与实空加热炉组合示企图及强磁场感化下难混溶合金弥散相液滴的碰碰模子
YASUDA H等在10T强磁场感化下研究了Cu-Pb合金的凝固组织，发现强磁场可降低富Cu液滴的运动速度和粗化速度，减小宏不雅偏析。张林等对Cu-80Pb难混溶合金凝固过程中施加12 T强磁场，相较于无磁场前提下的凝固组织，宏不雅偏析得到明显的改善。稳恒磁场的施加按捺了富Cu液滴在难混溶区间内的运动和富Pb相的聚集，使得富Cu液滴的均匀液滴尺寸降低了16%，散布趋势于平均化。ZHANG L等连系试验研究和数值模仿，提出Cu-Pb难混溶合金的弥散Pb液滴在难混溶区间扩散长大和碰碰凝并的数学模子，图3为有无强磁场下的Cu液滴空间散布比照。能够看出，无磁场下熔体冷却进入难混溶区0.3 s时便呈现严峻的宏不雅偏析，而在12 T强磁场下6 s时才呈现类似的宏不雅偏析，表白12 T强磁场对富Cu液滴的运动和凝固具有显著的按捺效果。强磁场间接影响富Cu液滴的运动速度和碰碰过程，当导电物量在磁场中运动时，会产生洛仑兹力，实线暗示由四周熔体活动所引起的涡流，见图2b。若是两个液滴在垂曲标的目的上碰碰，熔体将从液滴间隙向外流出，且熔体活动到上下液滴的外端，熔体活动引起的洛仑兹力起到了障碍液滴碰碰的感化。程度标的目的的碰碰情形下，两个粒子顶部熔体活动的程度重量产生顺时针电流，两个粒子底部的熔体活动也会产生顺时针电流。顺时针电流和垂曲磁场诱导洛仑兹力，成为熔体从间隙流向后背的阻力，见图2b。因而，垂曲磁场可削减液滴在垂曲标的目的和程度标的目的的聚结。一般来说，施加静磁场会削减液滴在任何标的目的上的碰碰凝并。10 T以上的强稳恒磁场不单单按捺难混溶合金熔体中第二相液滴的Stokes运动和Marangoni运动，更影响合金熔体中第二相的传量，减小第二相液滴的生长速度，从而降低以至消弭难混溶合金凝固组织的偏析。
图3有无强稳恒磁场下Cu-55%Pb合金凝固组织演变
强磁场也可与定向凝固手艺相连系。强磁场下生长的晶体还具有取向效应，由物量的磁化能各向异性引起，具有磁晶各向异性的晶体在磁化力转矩的感化下，易磁化轴沿外磁场的标的目的取向摆列。
16 T以上的磁场属于高强磁场，除了对导电熔体的对流按捺效果更显著外，还可能产生一些其他的特特效应。ZHOU B F等接纳24T强磁场连系过热处置，将Zn-6Bi合金的偏晶反响过冷度由0.4 ℃升至2.1 ℃，而且按捺了Bi原子的传输和富Bi相的析出，减小了富Bi相的尺寸。ZHENG T X等研究表白，17.4 T和29 T的高强磁场能够使Bi-Zn难混溶合金中的弥散Bi相粒子平均散布，29 T下Stokes运动被完全按捺，鸿沟只要轻细的Marangoni迁徙现象。0～6 T磁场下偏析次要由Stokes沉降主导，而在17.4～29 T时则和形核、生长和Marnagoni迁徙行为相关。在当前的磁体手艺下，无论是超导磁体仍是水冷电阻强磁体安装，磁体的孔径都跟着更大励磁场度的进步而减小，那影响了在孔径中内置加热炉的升温才能，限造了高强磁场试验的熔炼温度，因而目前高强磁场试验限于基体金属熔点较低的合金。16T以上的强磁场可对水、有机物等施加磁化力抵消重力，产生模仿微重力的效果。那种磁化力模仿微重力的效应本可在难混溶合金的造备中具有应用前景，但难混溶合金两液相间的密度差较大，所需要的磁化力和磁场强渡过高，高场强磁体的加热前提又难以实现。当前的磁体手艺下磁化力不敷以消弭难混溶合金的重力偏析。强磁场下难混溶合金凝固手艺的开展，依赖于磁体手艺的打破、场强和磁体孔径的进一步增大。
2 交变磁场
操纵交变磁场对熔体对流的促进感化又称为电磁搅拌(Electromagnetic stirring, EMS)，频次凡是接纳30Hz以下。按照差别的线圈绕组与磁场运动体例，应用于合金熔炼的交变磁场凡是可分为扭转磁场（Rotating magnetic field, RMF）和行波磁场（Traveling magnetic field, TMF）。操纵交变磁场对难混溶合金熔体施加搅拌，有望细化第二相液滴，降低重力和Marangoni效应对第二相液滴的影响，按捺难混溶合金中的偏析。
ZOU J等研究了Cu-Fe难混溶合金在26 Hz交换磁场下的凝固组织，交换磁场的施加影响富Fe相颗粒的形核和破裂初生枝晶，使得Fe枝晶改变为环状或球状晶，同时也按捺初生Fe相在Cu基体相中的上浮，改善Cu-Fe难混溶合金的偏析。董彦非等研究了在6 Hz扭转磁场下的Cu-10Fe难混溶合金，发现电磁搅拌平均了合金熔体的温度场和浓度场，在细化晶粒度的同时，制止了球团状富的相的生成，促进Fe枝晶的生成。ZHANG L等研究了16 Hz扭转磁场感化下Ag-8Ni合金的凝固组织(见图5)，施加电磁搅拌后粗且短的Ag枝晶改变为细长外形，颗粒状或带状的Ni相散布于Ag枝晶间隙，其尺寸与间距在电磁搅拌感化下减小；电磁搅拌改善了Ag-Ni合金的塑性和电导率，进步了Ag-Ni合金变形后的延展性和强度。16 Hz的电磁搅拌可细化Cu-Nb合金中的富Nb相尺寸，促进富Nb颗粒平均散布，进步形变后合金的更大抗拉强度。ZHANG L等操纵对置的两个行波磁场发作器在Cu-15Co合金凝固过程中施加标的目的相反的复合行波磁场，α-Co枝晶在电磁搅拌感化下尺寸变小，球形的富Co液滴数量削减，富Co相平均弥散散布。电磁搅拌在难混溶合金凝固过程中的应用，需要严酷控造磁场的参数，尤其是励磁的电流强度，过大的电流可能形成过强的扭转离心力，产生径向上的宏不雅偏析。此外，交换磁场感化于金属熔体凡是带有集肤效应，磁感应强度和洛仑兹力在熔体外表较大，中心较小。扭转磁场的电磁搅拌只能破裂和细化液滴，不克不及间接障碍异相液滴的沉降。而接纳竖曲标的目的的行波磁场停止立式电磁搅拌，立式行波磁场向下运动，磁力线切割合金熔体产生洛仑兹力(见图5)。随距磁体间隔的增加，磁场强度减小，因而熔体在近磁体一侧遭到的向下驱动力较大，而远磁一侧所受驱动力较小，磁场驱动熔体产生纵向周期性扭转对流。纵向对流可将沉降的异相颗粒带入熔体上部，有望实现更好的宏不雅偏析控造效果。交换磁场关于熔体中的异相颗粒也具有电磁力驱动的感化，是遭到基体洛仑兹力反感化力与本身所受洛仑兹力的合力，驱动力的大小与外加磁场的强度、熔体和第二相的电导率有关。
(a) 试验安装；(b) 无磁场；(c) 300 A，16 Hz
图4 扭转电磁搅拌熔炼试验安装及Ag-10Ni铸锭的凝固组织
图5 立式行波电磁搅拌驱动熔体流体示企图
3 复合电磁场
3.1 正交电磁场模仿微重力
操纵稳恒磁场与稳恒电流相连系，能够在金属熔体中产生模仿微重力的效果。难混溶合金中的两种金属的导电率凡是有较大不同，在通入电流后产生差别的电流密度，如再同时施加一个垂曲标的目的的磁场，使磁场标的目的与电流标的目的正交，可产生与两者标的目的垂曲的洛仑兹力。通过控造电磁场参数调整熔体中两相所受的洛仑兹力大小，可抵消两相密度差所引起的重力宏不雅偏析。
ABRAMOV O V等接纳标的目的互相垂曲的磁场与电流组合模仿微重力，抵消难混溶合金两相之间的重力差，促进了Al-Pb系难混溶合金中富Pb相的弥散散布。RATKE L等对Al-Pb合金停止了试验，操纵洛仑兹力使Sokes堆积得到消弭，促使粒子不变弥散散布。早期的正交电磁场模仿微重力试验中弥散相的程度散布有不平均现象，阐发认为那是电磁场散布不平均的成果。赵九洲等用正交电磁场减轻Al-Pb合金密度偏析的试验研究，成果表白，电、磁场参数需拔取适宜的范畴，不然Pb相仍会上浮或堆积。郝维新等对Cu-40%Pb合金熔体停止了微重力电磁模仿的凝固试验研究，施加的电磁力按捺了合金熔体中Pb相的Stokes堆积效应，消弭了合金凝固过程中的重力偏析。王小永等操纵正交复合磁场使Cu-Pb合金制止了成分偏析，富Pb相平均弥散散布于富Cu基体中。余挺等接纳电磁模仿微重力场连系电脉冲复合场造备了Cu-20Pb合金，使偏析组织得到按捺，促进了组织的平均。
正交电磁场模仿微重力的办法需要针对特定的合金品种确定适宜大小的电、磁场参数，制止过大或过小的洛仑兹力使弥散相上浮或下沉。此外，也要控造电流在整个熔体中的平均散布，制止呈现程度标的目的上的电磁力不同而呈现程度标的目的的组织不平均。
3.2 电磁悬浮
电磁悬浮手艺是将两个线圈反向串联，试样的金属熔融液滴悬浮在两个线圈中心，上部线圈产生的磁场次要起到不变感化，下部线圈产生的磁场次要起到悬浮感化，操纵高频载流线圈在合金内部产生感应电流，磁场和感应电流彼此感化产生的洛仑兹力与合金液滴所受的重力相抵消，实现金属液滴的电磁悬浮熔炼。电磁悬浮熔炼手艺能够制止坩埚带来的污染和异量形核，还能够实现合金熔体的深过冷处置。
RATHZ T J等通过Ti-Ce难混溶合金在微重力落管试验和尺度重力前提电磁悬浮熔炼试验凝固组织的差别，验证电磁悬浮关于合金熔体凝固组织构成的影响。落管试验下Ti-81Ce合金因Marangoni运动构成Ti/Ce核壳构造微不雅组织，而在尺度重力下，Ti-47Ce改变了富Ce相的偏析，富Ce相的运动标的目的与重力标的目的相反。LU X Y等操纵电磁悬浮熔炼手艺和落管手艺关于Co–Cu难混溶合金停止深过冷处置，制止了富Co树枝晶的生成，造备出富Co相平均弥散散布在富Cu基体相上的组织。KOBAYASHI A等操纵落管共同电磁悬浮熔炼手艺造备Fe-Cu难混溶合金的凝固组织，较大的过冷度和落管中的微重力情况，使得Fe-25Cu和Fe-75Cu合金制止了常规凝固造备的偏析，富Cu相和和Fe相在基体相上平均弥散散布。林茂杰等通过数值模仿共同试验研究，针对Fe-50Cu合金在电磁悬浮熔炼下的凝固组织演变停止研究。电磁悬浮所获得的150 K和204 K大过冷度制止了富Cu相在合金底部的偏析。
电磁悬浮熔炼手艺能够和超导强磁场相连系，YASUDA H等在强磁场感化下电磁悬浮熔炼了Ni和Cu等熔液滴，发现1 T以上的强磁场即可以按捺悬浮熔炼液滴外表的振动和对流，熔液小球沿平行于磁场标的目的的轴向自转，强磁场下金属液滴能够像固体小球一样不变的悬浮。ZHANG Y K等在强磁场下电磁悬浮熔炼造备了Cu-Co难混溶合金，研究了强磁场关于难混合金凝固组织演变的影响。稳恒磁场的施加为Cu-Co合金熔体供给了低重力情况，降低了重力关于富Co弥散液滴的影响，磁场按捺了电磁悬浮熔炼带来的强迫对流，细化富Co液滴，并促进其弥散散布。
3.3 稳恒磁场与交变电流复合
通过稳恒磁场与交变电流连系，所构建的复合电磁场能够产生电磁振荡的效果，显著影响难混溶合金的凝固过程。郑天祥等在Zn-10Bi难混溶合金凝固过程中施加强磁场复合差别电流密度和频次的交变电流，在适宜的磁场强度、电流密度和频次下，能够明显地改善Zn-10Bi难混溶合金的弥散相大小，偏析水平和弥散水平。ZHONG Y B等研究了交变电流复合强磁场感化下Zn-30Bi难混溶合金的凝固组织，发现单一的交变电流无法按捺Zn-30Bi合金的密度偏析，而在工频交变电流和纵向强磁场协同影响下的Zn-30Bi难混溶合金凝固组织的分层比重偏析得到按捺。WANG J等通过物理模仿的办法对复合电磁场下弥散液滴在液相别离过程中的动力学行为停止阐发，复合电磁场产生的交变洛仑兹力不只能够抵消重力关于弥散液滴的影响，细化弥散液滴和降低弥散液滴的运动速度，还可以从头混匀合金熔体，有利于均量难混溶合金凝固组织的构成。余挺等将强脉冲电流场复合到微重力电磁场构成复合脉冲微重力电磁场，针对Cu-Pb难混溶合金的凝固过程停止研究。在复合脉冲微重力电磁场感化下，Cu-Pb难混溶合金的Stokes运动遭到极大的限造，有效地按捺了宏不雅偏析。相较于单一的电场或磁场，复合电磁场能够兼具电场和磁场的感化，不只能够加强电场关于合金熔体的影响，并且产生的电磁体积力能够抵消重力关于难混溶区间内弥散相液滴的影响，在适宜的磁场强度、电流密度和频次下有望能够获得在重力前提下的均量难混溶合金。
4 总结与瞻望
（1）通俗稳恒磁场通过Lorentz力按捺熔体对流和减小弥散相液滴运动速度来改善难混溶合金的偏析。强磁场不只Lorentz力效果更强，更影响合金熔体中第二相的传量，细化第二相液滴，从而降低以至消弭难混溶合金凝固组织的偏析，并且具有促进凝固组织取向等特特效应。稳恒磁场可与其他凝固造备手艺相连系，开展出更有效的控造难混溶合金偏析的办法。
（2）交变磁场通过合金熔体浓度场和温度场的平均化、改动熔体过冷度等感化，影响第二相液滴的形核行为，破裂细化第二相和从头混匀熔体，从而改善难混溶合金的偏析行为。其难点在于控造离心力的大小，制止过大的离心力加重弥散相液滴的偏析。
（3）通过差别电、磁场复合能够产生一些特特效应，如稳恒磁场与稳恒电流正交复合可模仿微重力、稳恒磁场与交变电流可产生电磁振荡、高频磁场与感生电流交互感化所实现的电磁悬浮熔炼。但电场与磁场的耦合机造较复杂，电磁力在熔体各部位的散布不平均，其对弥散相液滴散布的影响机理仍需深切研究。
（4）凡是励磁安装的磁场强度越高，则有效感化空间越小。现有的一些磁场下难混溶合金造备手艺固然对宏不雅偏析的按捺效果优良，但过小的孔径尺寸影响了内置加热炉的升温才能。受限于试样尺寸，强磁场目前只合适于试验室研究，难以在现实工业消费中应用。因为磁场强度不敷，强磁场合特有的磁化力模仿微重力效应也难以应用于难混溶合金的熔炼。外磁场下难混溶合金的凝固造备工艺的进一步开展，仍需要相关磁体手艺的新打破，开展出强度更高、磁场应用空间更大的安装。
【文献引用】
张林,林海滨,王恩刚.外加磁场在难混溶合金造备过程中的应用[J].特种铸造及有色合金,2022,42(12):1464-1471.
ZHANGL,LIN H B,WANGEG.Application of magnetic fields in fabrication of immiscible alloys[J].SPEcial Casting & Nonferrous Alloys,2022,42(12):1464-1471.
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