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摘要：伴随社会经济的持续、快速化发展，科学技术水平的不断提升，电磁技术在此背景下，呈现出迅猛的发展势头，并且在多领域中得到广泛应用，而金属材料科学与工程中便为其一。本文结合当前实况，从多方面探讨了电磁技术在金属材料科学与工程中的应用形式，望能为此领域应用研究提供些许借鉴。
关键词：金属材料;电磁技术;应用
电磁技术实为一门在多领域中已得到广泛应用的技术类型，新世纪以来，伴随各学科的持续发展与完善，电磁技术与多学科至今的联系、融合日渐紧密，现阶段，以在诸如生物、农业、医学、环保等领域中得到不错应用。而将此技术应用于金属材料科学与工程当中，实际就是借助电磁场的无接触作用力，对材料制备工艺及成型过程进行有效控制，以此达到改善材料组织与性能的目的。需要指出的是，新型材料制备领域应用电磁技术正处于快速发展的完善阶段，应用范围日趋扩大，本文就金属材料科学与工程中電磁技术的应用探讨如下。
1.电磁搅拌技术
所谓电磁搅拌，从基础层面来分析，即为借助电磁感应所形成的作用力，对液态金属进行推动，使其有规律、有目的性的运动。针对交流感应来分析，其基本原理相似于异步电机，通常由多相线圈绕组形成旋转磁场或者行波磁场，并且在液态金属（处于导电状态）中产生感应电流，磁场作用与感应电流之间会形成电磁力，以此达到搅拌液态金属的目的。基于旋转磁场持续作用下的铝液当中，随意选择1个小单元，对径向r于θ切向上所具有的受力进行考察，把单元点所处位置相对应的磁通密度矢量进行分解，使之成为两部分，其一为切向分量Bθ，其二是径向分量Br，为了能够更好的进行计算，设定在高度方向z上，熔体无限长，且乃是不可压缩的流体。基于旋转磁场的持续作用下，形成感生电流;将沿着高度方向所产生的电流密度设为jz，此时，洛仑兹力所对应的两个分量分别为：
依据麦克斯韦方程组，便可得到：
从中可发现，径向电磁力分量与切向分量相比较，明显偏小，因此，基于低频磁场作用下，熔体在具体流动上，多由洛仑兹力所对应的切向分量造成。基于宏观层面来考量，熔体持续遭受旋转磁场力的作用。
电磁搅拌即为基于电磁力的不断作用下，铸坯内液态金属运动持续加速，以此对液态金属凝固中的流动、迁移、传热加以改善的过程，其有助于铸坯质量的提高。有报道指出，在金属凝固期间进行电磁搅拌，有助于凝固组织的改善，等轴晶率的增加，偏析的减轻以及非金属夹杂物的减少。有学者强调，结晶器电磁搅拌能够对连铸坯的中心缩孔予以改善，于高过热度浇铸条件下，则能显著改善缩孔。
2.电磁铸造技术
此技术实为一种无模半连续铸造技术，采用单匝水冷铜线圈电磁感应器对结晶器（普容连铸中）进行替代，实际就是借助电磁力对液体金属立柱成型进行支撑、约束的连续铸造工艺。需要指出的是，在三维场综合作用下（电磁场、温度场、流场），液态金属受到电磁力的约束成型，当前，此技术已经成为铸造铝及其合金铸造的常用方法。
如果将交变电流通入到感应器当中，形成交变电磁场，液体金属在磁场的作用下，会形成相反方向的电磁力。液态金属基于此种电磁力支撑下，将感应器内腔形状当作基础成型，与此同时，铸机连同铸锭同步下移，液面上方持续提供金属液，而位于感应器下方的冷却水，会不断的向铸锭喷，冷却金属液，使之成型。为了确保浇注液面始终处于平稳状态，在不考虑熔体表面张力的情况下，位于熔体上的静压力，对等于电磁压力，另外，还会借助不锈钢屏蔽罩（内部通水冷却），对此部分电磁力进行屏蔽，为液柱侧面呈现为垂直状态提供保障，另外，其还能对溶液过度搅拌情况进行有效抑制。在电磁铸造时，液态金属不接触于感应器，并且还会在自由表面下成型，另外，在此过程中，还会有电磁搅拌作用产生。所以，与传统铸造相比较，电磁铸造无论在组织性能上，还是在铸锭表面质量上，均更优。
3.电磁制动技术
在板坯连铸过程中，自浸入式水口喷出的钢液有着比较大的流速，致使结晶器当中的钢液湍流显著，以及有着比较剧烈的液面波动，易出现卷渣情况，且射流流股冲刷结晶器壁，会造成窄面凝固壳重熔，此外，还需要指出的是，有着较大流股的穿透深度，致使部分夹杂物在还没有上浮的情况下，便会在凝壳中凝固，因而严重危害板坯的内、部质量。对于电磁制动技术而言，实际就是基于结晶器宽面浸入式水口处，设置垂直于水口流出的钢液流动方向的直流恒稳磁场。如果液态金属切割磁力线处于运动状态，此时，依据欧姆定律，在液态金属当中，便会形成感生电流;此外，恒稳磁场与感生电流之间的交互作用，又会形成相反于流动方向（液态金属中）的洛仑兹力，因而能控制液态金属的流动，将流动的不稳定性消除掉。还需要强调的是，通过控制金属液流，有助于操作工艺的改善以及铸坯质量的提高。
4.电磁振荡技术
需要指出的是，通过施加平行于铸锭对称轴方向的交变磁场、稳恒磁场，且借助二者的相互作用，便会有洛仑兹力产生，促进熔体产生受迫振荡，这便是电磁振荡。在金属凝固过程中，熔体振荡具有两种特性，其一为超声波特性，其二是声波特性，突出体现在增加合金熔体流动性、弥散作用、细化晶粒及降低孔隙率等方面。依据电磁感应得基本理论，于半连铸结晶器外，施加平行于重力矢量方向的直流稳恒磁场，与此同时，在熔体内部，交变磁场会诱发形成频率相同的感应电力密度，他们彼此相互作用;还需强调的是，在熔体内部，会产生洛仑兹力场，且与上述电、磁确定的平面相垂直，另外，还处于持续变化状态，因而能够使熔体受迫运动。对于此力而言，其能够使熔体当中的导电粒子出现震动，因而会加速气孔的形成（金属熔体中），此些气孔如果发生破碎，那么会产生许多大气压级的冲击波。对于此种冲击波来分析，其所产生的压力不仅对晶粒细化有利，而且还对充型能力的提高有利。
5.结语
综上，把材料科学结合于电磁场，借助磁场效应对材料合成的效率加以改善，此外，还有助于材料的物理化学性能、机械性能的改善，因而能为新型材料的制备提供指导。现阶段，此领域已受到许多专家、学者的重视，且将其作为重点研究方向。因此，推动电磁技术在金属材料科学与工程中的应用，符合未来发展需要。
参考文献
[1]谭磊， 赵建光. 金属3D打印技术核电领域研究现状及应用前景分析[J]. 电焊机， 2019， 49（4）：362-366.
[2]赵琪， 马俊宾， 谢明，等. 复合金属包覆碳纳米管的制备及电磁屏蔽性能[J]. 稀有金属材料与工程， 2019， 48（1）：249-253.
[3]王子一， 谭建波. 电磁搅拌制备B_4C_p/AlSi9Mg复合材料磨损性能研究[J]. 特种铸造及有色合金， 2020， 324（3）：85-89.
四川轻化工大学 四川省 自贡市 643000
关键词：金属材料;电磁技术;应用
电磁技术实为一门在多领域中已得到广泛应用的技术类型，新世纪以来，伴随各学科的持续发展与完善，电磁技术与多学科至今的联系、融合日渐紧密，现阶段，以在诸如生物、农业、医学、环保等领域中得到不错应用。而将此技术应用于金属材料科学与工程当中，实际就是借助电磁场的无接触作用力，对材料制备工艺及成型过程进行有效控制，以此达到改善材料组织与性能的目的。需要指出的是，新型材料制备领域应用电磁技术正处于快速发展的完善阶段，应用范围日趋扩大，本文就金属材料科学与工程中電磁技术的应用探讨如下。
1.电磁搅拌技术
所谓电磁搅拌，从基础层面来分析，即为借助电磁感应所形成的作用力，对液态金属进行推动，使其有规律、有目的性的运动。针对交流感应来分析，其基本原理相似于异步电机，通常由多相线圈绕组形成旋转磁场或者行波磁场，并且在液态金属（处于导电状态）中产生感应电流，磁场作用与感应电流之间会形成电磁力，以此达到搅拌液态金属的目的。基于旋转磁场持续作用下的铝液当中，随意选择1个小单元，对径向r于θ切向上所具有的受力进行考察，把单元点所处位置相对应的磁通密度矢量进行分解，使之成为两部分，其一为切向分量Bθ，其二是径向分量Br，为了能够更好的进行计算，设定在高度方向z上，熔体无限长，且乃是不可压缩的流体。基于旋转磁场的持续作用下，形成感生电流;将沿着高度方向所产生的电流密度设为jz，此时，洛仑兹力所对应的两个分量分别为：
依据麦克斯韦方程组，便可得到：
从中可发现，径向电磁力分量与切向分量相比较，明显偏小，因此，基于低频磁场作用下，熔体在具体流动上，多由洛仑兹力所对应的切向分量造成。基于宏观层面来考量，熔体持续遭受旋转磁场力的作用。
电磁搅拌即为基于电磁力的不断作用下，铸坯内液态金属运动持续加速，以此对液态金属凝固中的流动、迁移、传热加以改善的过程，其有助于铸坯质量的提高。有报道指出，在金属凝固期间进行电磁搅拌，有助于凝固组织的改善，等轴晶率的增加，偏析的减轻以及非金属夹杂物的减少。有学者强调，结晶器电磁搅拌能够对连铸坯的中心缩孔予以改善，于高过热度浇铸条件下，则能显著改善缩孔。
2.电磁铸造技术
此技术实为一种无模半连续铸造技术，采用单匝水冷铜线圈电磁感应器对结晶器（普容连铸中）进行替代，实际就是借助电磁力对液体金属立柱成型进行支撑、约束的连续铸造工艺。需要指出的是，在三维场综合作用下（电磁场、温度场、流场），液态金属受到电磁力的约束成型，当前，此技术已经成为铸造铝及其合金铸造的常用方法。
如果将交变电流通入到感应器当中，形成交变电磁场，液体金属在磁场的作用下，会形成相反方向的电磁力。液态金属基于此种电磁力支撑下，将感应器内腔形状当作基础成型，与此同时，铸机连同铸锭同步下移，液面上方持续提供金属液，而位于感应器下方的冷却水，会不断的向铸锭喷，冷却金属液，使之成型。为了确保浇注液面始终处于平稳状态，在不考虑熔体表面张力的情况下，位于熔体上的静压力，对等于电磁压力，另外，还会借助不锈钢屏蔽罩（内部通水冷却），对此部分电磁力进行屏蔽，为液柱侧面呈现为垂直状态提供保障，另外，其还能对溶液过度搅拌情况进行有效抑制。在电磁铸造时，液态金属不接触于感应器，并且还会在自由表面下成型，另外，在此过程中，还会有电磁搅拌作用产生。所以，与传统铸造相比较，电磁铸造无论在组织性能上，还是在铸锭表面质量上，均更优。
3.电磁制动技术
在板坯连铸过程中，自浸入式水口喷出的钢液有着比较大的流速，致使结晶器当中的钢液湍流显著，以及有着比较剧烈的液面波动，易出现卷渣情况，且射流流股冲刷结晶器壁，会造成窄面凝固壳重熔，此外，还需要指出的是，有着较大流股的穿透深度，致使部分夹杂物在还没有上浮的情况下，便会在凝壳中凝固，因而严重危害板坯的内、部质量。对于电磁制动技术而言，实际就是基于结晶器宽面浸入式水口处，设置垂直于水口流出的钢液流动方向的直流恒稳磁场。如果液态金属切割磁力线处于运动状态，此时，依据欧姆定律，在液态金属当中，便会形成感生电流;此外，恒稳磁场与感生电流之间的交互作用，又会形成相反于流动方向（液态金属中）的洛仑兹力，因而能控制液态金属的流动，将流动的不稳定性消除掉。还需要强调的是，通过控制金属液流，有助于操作工艺的改善以及铸坯质量的提高。
4.电磁振荡技术
需要指出的是，通过施加平行于铸锭对称轴方向的交变磁场、稳恒磁场，且借助二者的相互作用，便会有洛仑兹力产生，促进熔体产生受迫振荡，这便是电磁振荡。在金属凝固过程中，熔体振荡具有两种特性，其一为超声波特性，其二是声波特性，突出体现在增加合金熔体流动性、弥散作用、细化晶粒及降低孔隙率等方面。依据电磁感应得基本理论，于半连铸结晶器外，施加平行于重力矢量方向的直流稳恒磁场，与此同时，在熔体内部，交变磁场会诱发形成频率相同的感应电力密度，他们彼此相互作用;还需强调的是，在熔体内部，会产生洛仑兹力场，且与上述电、磁确定的平面相垂直，另外，还处于持续变化状态，因而能够使熔体受迫运动。对于此力而言，其能够使熔体当中的导电粒子出现震动，因而会加速气孔的形成（金属熔体中），此些气孔如果发生破碎，那么会产生许多大气压级的冲击波。对于此种冲击波来分析，其所产生的压力不仅对晶粒细化有利，而且还对充型能力的提高有利。
5.结语
综上，把材料科学结合于电磁场，借助磁场效应对材料合成的效率加以改善，此外，还有助于材料的物理化学性能、机械性能的改善，因而能为新型材料的制备提供指导。现阶段，此领域已受到许多专家、学者的重视，且将其作为重点研究方向。因此，推动电磁技术在金属材料科学与工程中的应用，符合未来发展需要。
参考文献
[1]谭磊， 赵建光. 金属3D打印技术核电领域研究现状及应用前景分析[J]. 电焊机， 2019， 49（4）：362-366.
[2]赵琪， 马俊宾， 谢明，等. 复合金属包覆碳纳米管的制备及电磁屏蔽性能[J]. 稀有金属材料与工程， 2019， 48（1）：249-253.
[3]王子一， 谭建波. 电磁搅拌制备B_4C_p/AlSi9Mg复合材料磨损性能研究[J]. 特种铸造及有色合金， 2020， 324（3）：85-89.
四川轻化工大学 四川省 自贡市 643000