金属材料在凝固过程中经常会产生偏析等凝固缺陷。偏析可分为微观偏析和宏观偏析,微观偏析可通过长时间的扩散退火来减轻或消除,而宏观偏析不能通过后续的热处理工艺来消除,因此在凝固过程中就应加以控制。目前对于宏观偏析的形成公认的理论是枝晶间富集溶质的液相流动导致的。因此在金属凝固过程中对其流动进行控制就显得至关重要。金属液与磁场的相对运动会产生感应电流,感应电流与磁场相互作用产生电磁力,通过采用可控可调的电磁力控制偏析成为减轻偏析的重要手段。本文采用永磁体单元堆积的方式构建了永磁螺旋磁场,并研究了其驱动GaInSn合金液三维流动规律。对所构建的螺旋磁场与理想螺旋永磁体结构所产生的磁场进行了数值模拟和实验测量,螺旋磁场可视为由旋转分量和行波分量在空间的叠加,通过比较发现磁场的大小与分布结果很接近,这表明采用小块永磁体单元堆积的永磁螺旋结构来替代理想永磁螺旋结构在实验中是合理的。此外,通过实验优化了磁极排布形式。采用超声多普勒测速仪(UDV)研究了金属液的流动,对置于磁场中的GaInSn合金周向和轴向速度进行了定量测量,结果表明永磁螺旋磁场能显著驱动合金液形成三维流动。永磁螺旋磁场驱动合金液形成周向的旋转流,且随着永磁螺旋转速的增大,周向流动强度也相应增大。从静止状态开始,合金液周向的流动强度均随着时间的增大而增大,但在10s以后,流动强度达到饱和,流动趋于稳定。而合金液轴向上的流动形态较复杂,依赖于实验参数,可存在二次流(Secondary flow)和子午面流(Meridional flow)两种不同的流动形态。当合金液柱直径较小(40mm)对,流动形态为二次流,而当合金液柱直径较大(70mm)时,轴向呈现出子午面流的流动形态。在模式磁场作用下,流体在任何模式周期下其周向均能实现周期性的往返流动,且流动周期与磁场的模式周期一致。且随着模式周期的增大,流体速度增大,流动加强,但是当Tm≥20s时,流速不再增加,流动不再加强而达到饱和。轴向的流动情况与合金液柱直径和施加磁场的模式周期都有关,通过控制合适的合金液柱直径和模式周期,能使轴向上出现可控的与磁场模式周期一致的往返子午面流动。由于二次流的流动方向不随旋转磁场方向的改变而改变,而子午面流的流动方向却能响应行波磁场方向的变化。金属凝固过程中若轴向流动形态为子午面流,则可通过设定合适的模式周期,周期性地改变磁场方向,进而产生周期性的往返子午面流干预凝固前沿的溶质析出,从而达到减小偏析的目的,而轴向流动形态为二次流时却因为其流动方向不随磁场方向的改变而改变而不能减小偏析。本文中在模式磁场作用下通过选取合适的实验条件能够得到轴向周期性往返的子午面流的结果有望解决工业上大型铸锻件、镍基合金、高合金钢凝固过程中的宏观偏析。