三、脉冲磁场细化法 

细化镁合金所使用的磁场可以分为直流磁场、交流磁场和脉冲磁场。相较于直流磁场和交流磁场，脉冲磁场（Pulse magnetic field，PMF）能够对金属熔体产生更强的电磁震荡作用，而且脉冲磁场具有输出峰值高、设备负荷小、细化效果显著以及无污染等优点[75]，因此在外场细化镁合金的研究中，脉冲磁场处理逐渐成为热点之一。本节主要对脉冲磁场细化镁合金的研究进行总结。 

（一）作用机理

 脉冲磁场熔体处理过程如图11所示[76]。当外部线圈通入脉冲电流后，金属熔体内会产生脉冲磁场，进而会产生快速变化的脉冲涡流。由于脉冲涡流和脉冲磁场随着时间不断变化，二者之间相互作用产生的电磁力也随之不断变化，导致金属熔体中产生强烈震荡，促使枝晶破碎，从而形成大量的结晶核心，实现晶粒细化。尤 为重要的是，震荡引起的对流不仅促进初始晶核游离运动至熔体各部分，而且使得过冷熔体的结晶能够在各部分同时进行[77]，从而贡献于组织细化。此外，震荡还能够加快熔体的传热速度，降低熔体的温度梯度，使得熔体温度趋于均匀化，抑制初生晶核重熔的可能性[78]。  

典型的脉冲磁场熔体处理实验装置示意图如图12所示[79]，主要由脉冲电源、线圈和模具等组成。通过控制输入线圈中的脉冲电流，能够控制脉冲磁场的各种参数，进而控制合金熔体在脉冲磁场中的凝固过程。 

（二）影响因素 

本节主要按脉冲磁场施加方式、脉冲频率和脉冲电压等影响因素总结脉冲磁场细化镁合金晶粒的研究进展，并对脉冲磁场与其他晶粒方法联合使用的细化效果规律进行总结。 

1、施加方式 

脉冲磁场的传统施加方式主要是单一脉冲磁场（Single pulsed magnetic field，SPMF），但近年来差相脉冲磁场（Out-of-phase pulsed magnetic field，OPPMF）逐渐得到应用。二者主要区别是，差相脉冲磁场使用多组线圈，在不同组线圈中通入不同的脉冲电流，其频率与电压大小均可由相关模块及软件进行调节。根据图13所示的不同磁场施加方式对AZ80合金熔体流场影响的数值模拟结果可知，相较于SPMF，OPPMF可以使熔体内部产生更强的对流作用，从而促进熔体温度均匀化，获得更优的晶粒细化效果[80-81]。 

2、脉冲频率 

脉冲频率是影响磁场细化镁合金晶粒效果的重要因素之一。在工业生产中，不同种类的镁合金因元素组成、微观结构和铸造方式等差异，具有不同的最佳脉冲频率值。因此，在脉冲磁场的施加过程中，需要了解脉冲频率对晶粒细化的影响规律，从而优选磁场处理工艺。脉冲频率对于合金晶粒细化效果的影响主要表现在两个方面。一方面，当脉冲频率未超过阈值而逐渐增大时，细化效果逐渐增强[82-84]。

例如，Wang等人[82]对AZ31镁合金施加脉冲磁场，发现合金晶粒尺寸变化如图14所示，当脉冲频率为0~5Hz时，随着脉冲频率的 不断增大，平均晶粒尺寸逐渐减小。这是因为脉冲频率可以决定一段时间内脉冲磁场的平均能量大小，脉冲频率越高，脉冲磁场的平均能量越大，即在一定时间内金属熔体的震荡越强，合金熔体内部传热传质更为均匀，晶粒细化效果显著[82-83]。另一方面，当脉冲频率超过阈值后，晶粒细化效果逐渐减弱[82]。例如，Jia等人[84]对AZ31B镁合金熔体施加脉冲磁场后，发现当脉冲频率超过15Hz时，AZ31镁合金晶粒尺寸却逐渐增大。这是因为随着脉冲频率的不断升高，电磁场的趋肤深度不断变小，使电磁力主要集中于熔体的表面附近[85]，熔体震荡仅发生在局部范围内，内部的强制对流作用也随之相对减弱，因而合金的晶粒细化效果变差。  

3、脉冲电压 

脉冲电压也是影响镁合金晶粒细化效果的重要因素之一，其对于晶粒细化效果的影响规律也主要表现在两个方面。一方面，当脉冲电压未超过阈值而逐渐增大时，细化效果逐渐增强[86]。例如，Wang等人[86]对纯Mg施加0~200V的脉冲磁场处理，发现随着脉冲电压的增大，粗大的柱状晶逐渐转变为细小的等轴晶。类似的，对AZ31和AZ91D镁合金凝固过程施加脉冲磁场，晶粒细化效果也显示存在脉冲电压阈值（图15）[79]。这是因为随着脉冲电压的逐渐增大，电磁振荡作用更加充分，合金熔体对流加强，使枝晶破碎更加充分， 从而细化合金晶粒。另一方面，当脉冲电压超过阈值后，镁合金的晶粒反而粗化。例如，杨院生等人[79]对AZ31、AZ91D合金熔体施加脉冲磁场，当脉冲电压超过200V后，晶粒尺寸却逐渐增大。这是因为随着脉冲电压的继续增加，产生的焦耳热会降低熔体的冷却速度，使熔体的过冷度降低，进而降低形核率。此外，过高的脉冲电压还会使得电磁振动和电磁搅拌作用增强，导致液面剧烈波动，从而导致吸气而产生夹杂，恶化铸锭质量[87] 。   

4、脉冲磁场与其他晶粒细化法协同应用 

相较于单独使用细化剂或单一细化方法，两种细 化方法的联合使用也得到了大量关注。表4总结了脉 冲磁场与其他晶粒细化方法的联合使用实例。例如， 对Mg97Y2Cu1（at.%）合金联合使用脉冲磁场和机械振动，晶粒细化效果更好，主要归功于二者产生了更强的振动作用[88]；而对Mg-5Y-2.5Zn-1.2Ca-Zr合金施加脉 冲磁场，其能够更好地打散Zr细化剂颗粒团簇，使Zr颗 粒分布更均匀，从而进一步提高Zr细化效果[90]。

综上，磁场处理作为镁合金晶粒细化的一种方法，已展现了一定效果和前景。但是由于电磁力大小的局限性，其应用在大型铸件中，存在等轴晶率不高以及细化效果不稳定的问题，导致其工业应用受限[91-92]。此外，冷却水的频繁使用也会对磁场线圈造成一定程度的腐蚀[92]，增加了维护成本，因此磁场细化技术仍有待进一步研究与发展。 经过近几十年的发展，超声场、脉冲电场、脉冲磁场等外加能量场逐渐被应用在镁合金铸造过程中，并成为熔体绿色加工新手段。其主要是基于各种微观 效应机制而产生相应的促进形核、抑制生长等作用，从而实现晶粒细化效果。已有的研究表明，外场晶粒细化效果主要受到处理工艺参数（超声功率、脉冲电压、脉冲电流、施加方式及处理温度等）和合金性质（溶质元素含量等）的影响，存在一定的工艺窗口。因此，应根据实际工程需求进行合理的工艺调整。 

然而目前，外场细化技术尚存在如下几个问题亟待研究并解决 

（1）超声传播的衰减特性，导致其细化作用范围受限，因此应针对此问题，定量化表征其衰退规律与晶粒细化规律，并开发更高效的超声设备，从而尽量减少衰退区域。此外，超声探头目前多为钛合金，其在熔体中易损伤损耗，需定期维修或更换探头，增加了超声处理的成本，因此未来应着重开发耐高温、低成本探头。 

（2）相较于易施加的超声场，脉冲电场和脉冲磁场由于其设备较复杂，在镁合金细化方面的研究依然不足。已有的研究表明，趋肤效应及细化效果不均匀等问题明显，因此有必要针对其开发稳定高效的复合处理设备。 

（3）在外场细化镁合金的机理方面，虽然借助经典的细化理论均可以得到合理解释，但目前尚存在诸多争议以及缺乏统一的实验证据。未来应加强对于实验证据的观察及分析，例如，可借助原位同步辐射先进表征技术，捕获熔体中更细微的形核生长证据，从而进一步丰富外场细化镁合金技术的理论体系。此外，应加强对于外场组织细化方面的数值模拟研究， 为丰富其细化理论提供物理模型支撑。