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电磁搅拌下7050合金凝固过程数值模拟研究
摘要
7050合金具有高比强度、优异的抗应力腐蚀性能及热加工性能，是航空航天领域关键材料。但其非平衡凝固过程中存在晶粒粗化与成分偏析等问题。为了改善铸造7050合金的性能，可以通过细化铝合金来提高其组织的均匀性、增加塑性和韧性。
本文基于Comsol有限元与实验相结合的方法，对电磁搅拌作用下7050铝合金的凝固过程展开研究。构建电磁-流体-传热多物理场耦合的凝固模型，研究不同电磁搅拌电流强度、频率等参数对7050合金凝固过程中熔体流动、温度场分布、溶质扩散及晶粒生长行为的影响规律。与常规凝固组织进行对比，旨在确定最优磁场参数。
模拟研究表明，在电磁搅拌作用下，金属熔体内磁场呈现独特分布规律：磁感应强度由铸坯表面向中心衰减，在径向上对称且呈“V”字形分布。磁场频率与电流及磁感应强度紧密相关，频率增大时，感生电流增加，但趋肤效应导致磁场穿透能力减弱，磁感应强度降低。此外，熔体流速与磁场频率和电流大小呈正相关；在一定范围内，增加搅拌电流可降低温度梯度，然而过度增加电流，因焦耳热效应，反而会使熔体整体温度升高。实验研究表明，在常规凝固后7050合金中在电磁搅拌作用下凝固的7050合金组织主要由柱状晶和少量的等轴晶组成，在α-Al基体上分布着大量的非平衡共晶组织，呈连续的网状结构，其平均晶粒尺寸为155.4μm。经电磁搅拌处理后，合金的显微组织和力学性能进一步提升，当磁场参数为8Hz/100A时，合金细化效果最为显著，平均晶粒尺寸减小到90.4μm，合金的抗拉强度提升到238.3MPa，伸长率增加到8.4%。与常规凝固相比，抗拉强度增加了27.6%，伸长率增加了30.2%。施加电磁搅拌后，增强熔体对流，有效打破枝晶网络，加快熔体散热，从而达到细化晶粒的效果。
关键词电磁搅拌；7050合金；凝固过程；数值模拟
NumericalSimulationStudyonSolidificationProcessof7050AlloyUnderElectromagneticStirring
Abstract
The7050alloy,featuringhighspecificstrength,excellentstresscorrosionresistance,andthermalprocessingperformance,servesasakeymaterialintheaerospacefield.However,issuessuchasgraincoarseningandcompositionalsegregationoccurduringitsnon-equilibriumsolidificationprocess.Toenhancethepropertiesofas-cast7050alloy,theuniformityofitsmicrostructurecanbeimprovedbyrefiningthealuminumalloy,anditsplasticityandtoughnesscanbeincreased.
Thispaperinvestigatesthesolidificationprocessof7050aluminumalloyunderelectromagneticstirringbycombiningComsolfiniteelementmethodwithexperiments.Asolidificationmodelcoupledwithelectromagnetic-fluid-heattransfermulti-physicalfieldsisconstructedtostudytheinfluencerulesofparameterssuchasdifferentelectromagneticstirringcurrentintensitiesandfrequenciesonthemeltflow,temperaturefielddistribution,solutediffusion,andgraingrowthbehaviorduringthesolidificationof7050alloy.Itiscomparedwiththeconventionalsolidificationstructure