云山新闻网 国内 上海市自然科学一等奖,上大出品!控“有形”以“无形”,电磁场助力高品质金属材料制备

上海市自然科学一等奖,上大出品!控“有形”以“无形”,电磁场助力高品质金属材料制备

原标题:上海市自然科学一等奖,上大出品!控“有形”以“无形”,电磁场助力高品质金属材料制备

来源:上海大学

冶金工程技术是国民经济和国防建设的基础,直接决定着高品质金属材料的发展。金属液凝固和析出结晶是绝大多数金属材料必经的关键冶金过程,决定了金属材料生产效率和品质性能。随着对金属材料性能要求日渐趋于极致,要求其成分更复杂,产品尺寸更超常,过程更快速,冶金缺陷更少,对此,传统结晶过程调控手段已难以满足要求。

电磁场具有独特的无形的“力-能-热”效应,利用这些效应可调控结晶过程,开辟了调控结晶过程的新途径,成为冶金研究领域重大新方向,并在此基础上形成了电磁学、热力学和流体学三个领域相互交叉的学科:电磁冶金。

SHU

上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室主任任忠鸣教授从上世纪90年代初开始即瞄准这一关键学科,率先开展研究,经过近30年攻关,在利用电磁场调控金属结晶过程方面取得一系列原创性科学成果和重大进展,相关成果获得上海市2020年度自然科学一等奖。

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任忠鸣教授指导课题组教师和学生开展电磁场作用下的金属凝固结晶实验

发现热电磁流动

     用X射线之“眼”“看穿”金属熔体

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长期以来人们忽视了静磁场对液态金属,特别是弱磁性金属结晶的影响,因为通常磁场对弱磁金属的作用力十分微弱。上世纪80年代,科学家根据热电效应原理预测在液态金属结晶时存在微弱的热电流(10-6~-7A/m²量级)在一般的磁场中所产生的力很弱,而在强磁场下产生的磁力却十分可观。但是该力是否足以导致金属液体流动,一直存疑,更勿论是否影响结晶过程。

任忠鸣教授首先通过提高磁场强度,放大热电磁力的思路,利用超导磁体产生强度可达14特斯拉的磁场进行研究,首次发现了稳恒磁场下金属结晶过程产生环状组织,预示着新型流动的存在。进而使用同步辐射X射线成像技术直接“看到了”金属结晶中的金属液流动,确证了热电磁流动的存在,并利用该流动对金属结晶组织进行控制。

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提升材料性能

热电磁“魔力”破碎枝晶,细化晶粒

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在传统金属材料制备过程中,一般通过搅拌、振动等方式破碎枝晶,实现晶粒细化,往往导致工艺复杂,不确定因素增加。任忠鸣教授基于在电磁场控制凝固结晶领域的长期研究,另辟蹊径,在国际上首次提出热电磁力影响凝固组织的科学命题,并进行深入研究。通过在电磁场下进行凝固实验,发现热电磁效应所产生热电磁力导致凝固组织扭曲和混乱,表明受到应力影响。进而采用同步辐射观察到在磁场下金属凝固过程中热电磁应力导致枝晶断裂,促进柱状晶向等轴晶转变和晶粒细化,首次证实电磁场作用下热电磁“魔力”的存在及其对金属凝固组织的影响。

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目前,电磁场产生的热电磁“魔力”破碎枝晶,细化晶粒的相关技术已经广泛用于钢铁连铸过程,通过在结晶器中施加磁场产生热电磁力,使得枝晶断裂从而实现细化晶粒,同时热电磁力产生的对流排除杂质和气体,净化金属液,大大改善了铸坯组织和质量;此外,热电磁力还被证明可以用于对3D打印过程进行组织调控,在高温度梯度下产生的巨大热电磁力可以有效促进柱状晶向等轴晶转变,提升打印零件性能。

无形磁场诱导

非铁磁性晶体定向生长

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通常情况下人们认为只有铁磁性物质才会受到磁场影响,按照特定方向进行排列,对非铁磁性材料,则普遍认为磁场难以对其产生影响。任忠鸣教授受到静磁场可以悬浮水滴和青蛙等非铁磁性物质的启发,在国际上率先尝试使用强磁场对非铁磁性物质结晶取向进行调控,揭示了稳恒磁场诱导非铁磁性金属沿特定方向生长这一重大发现。

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静磁场可以悬浮水和金属

基于以上原理提出利用强磁场引导作用进行航空发动机单晶叶片定向凝固中晶体方向控制新技术,成功实现晶体<001>方向与主应力方向偏差控制在2度以内,达到世界领先水平(世界最好水平为8度),并可以有效消除高温合金叶片定向凝固过程中存在的杂晶。

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磁场控制发动机单晶叶片晶体

取向偏离角度小于2度并消除杂晶

产学研结合

电磁场调控金属结晶技术助力企业破封锁

根据电磁场影响金属结晶的机理,开发了金属连铸中施加磁场控制凝固组织、消除缺陷的新技术并实现应用。该技术在多家钢铁企业得到推广应用,取得了可观的经济价值。

该技术还应用于高档无氧铜连铸生产中,其产品全面替代进口并出口美国,应用在高能加速器等大科学工程中,相关技术单笔技术转让高达2400余万元,为我国高端铜材生产技术提升作出了贡献。

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为探索不息

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编辑:陈昭琳

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作者: admin

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