雙向電磁攪拌對半固態A356鋁合金凝固組織的影響

劉 政，陳 濤，陳志平

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雙向電磁攪拌對半固態A356鋁合金凝固組織的影響

劉 政1，陳 濤2，陳志平1

(1. 江西理工大學 機電工程學院，贛州 341000； 2. 江西理工大學 材料科學與工程學院，贛州 341000)

采用自行設計的電磁調控裝置對結晶器內的鋁熔體施加雙向電磁攪拌處理，獲得凝固組織為球狀或類球狀初生固相顆粒的半固態漿料，分析在電磁攪拌時間恒定12 s時磁場頻率、電磁攪拌方式(單向連續電磁攪拌、雙向連續電磁攪拌、雙向間歇電磁攪拌)對初生相形貌演化的影響。結果表明：隨著磁場頻率的增加，初生固相晶粒的生長形態由樹枝狀、長條狀、粗顆粒狀轉變為球狀；晶粒尺寸先減小后增大；磁場頻率存在最佳值30 Hz 。此時，初生相(Al)的平均等積圓直徑為38.2 μm，形狀因子為0.75。此外，雙向連續電磁攪拌作用于液態熔體形成強烈的紊流和慣性沖擊，加快凝固體系的質量傳輸熱量傳遞，合金漿料組織相較于單向連續電磁攪拌、雙向間歇電磁攪拌更加細小圓整。

半固態；A356鋁合金；雙向電磁攪拌；凝固組織

凝固組織的細化和均一化是制備優質合金材料的關鍵環節，對材料的力學性能和加工工藝性能有著顯著的影響[1?3]。液態合金鑄造過程中晶粒組織的細化，即細晶鑄造能夠有效地控制鑄件的品質使其滿足高性能要求。其中鋁合金半固態低頻電磁鑄造加工是一項高性能精確成形制造范疇的技術，在改善合金的顯微組織方面具有明顯的適用性[4?6]。通過對熔體施加攪拌處理引起液相的強制流動，加快熔體內部熱量的散失速率，使凝固系統的溫度場、溶質場、流場變得均 勻[7?8]。但僅依靠電磁場對熔體進行單一處理，所制備的漿料還難以滿足優質半固態漿料流變成形的需要。

近年來，研究者對電磁場作用下凝固組織的細化機制進行了深入研究，對液態合金的凝固行為和其中蘊含的工藝信息有了比較深入的認知。合金熔體施加電磁攪拌處理引起金屬液的快速流動，加快了溶質的擴散速率、延長了擴散距離，晶粒尺寸得到明顯細 化[9]。系列研究指出：對Pb-Sn合金施加電磁攪拌時，合金熔體的流動特性可改善合金的偏析以及有效地細化晶粒尺寸[10]；對金屬漿料施加脈沖電磁攪拌時，熔體形成強制對流，較單向連續攪拌可獲得晶粒尺寸更加細小和表面更平整的合金鑄錠[11]；當利用環縫式電磁攪拌作用熔體時，發現在大攪拌力和高磁場頻率作用下獲得了非枝晶組織[12]；當利用低過熱度電磁攪拌制備鋁合金漿料時，凝固組織中的初生相(Al)和共晶組織的形態發生了顯著改變[13]。另外，通過分析連續電磁鑄造過程中鋁熔體內部的運輸現象，探明了熔體強制流動的流動特性以及仿真預測熔體溫度的可行性[14]。由此可知：電磁場作用于熔體引起強制對流促進了晶粒細化，提升了材料的力學性能[15]。目前對處于液固兩相區的金屬熔體所施加的電磁攪拌處理方式大多數是一種連續單向式的，雖然也有研究人員提出了分級攪拌的方式[16]，但也是在單向攪拌過程中實施不同電磁頻率攪拌，仍屬于單向攪拌方式。關于電磁結晶器內對合金熔體施加雙向電磁攪拌的研究報道還不多見，而且在雙向電磁攪拌作用下熔體的流動規律、凝固行為以及初生相的形核與長大等值得探究。

因此，本文作者以A356鋁合金為實驗對象，對其熔體施加雙向電磁攪拌，探究電磁攪拌方式及其工藝參數對半固態A356鋁合金初生相組織的影響，以期能夠制備出優質的半固態鋁合金漿料，獲知其最佳的制備工藝參數，并進一步認知電磁場在合金凝固過程中的物理機制及在金屬改性方面的作用。

1 實驗

試驗原料為A356鋁合金，X熒光光譜儀分析其化學成分(質量分數)為Si 7.14%、Mg 0.33%、Fe 0.135%、Al余量。合金經預熱后置于設定溫度為720 ℃的SG2?5?12電阻坩堝爐內進行熔煉，在合金充分熔化后加入覆蓋劑(50%NaCl+50%KCl)防止熔體在加熱過程中被氧化，保溫10 min處理后進行2~3次除氣除渣精煉。隨后將熔體溫度降至620 ℃并迅速澆注到內徑為55 mm、高度約為100 mm且預熱至360 ℃的不銹鋼鑄型內，鑄型安放于自行研制的電磁攪拌器中。接通電源開啟電磁攪拌裝置，攪拌終了后將鑄型置于590 ℃的箱式電阻爐內進行等溫保溫10 min處理。保溫結束后取出鑄型浸入水中對熔體進行快速水淬處理，以保存高溫時合金漿料的組織形態，然后及時脫模取出鑄錠。

由于低頻電磁場具有磁感應線密集、貫穿能力強和肌膚效應不明顯等特點[17]，且熔體只需施加短時電磁攪拌處理即可獲得優質的半固態合金漿料[18]；另外，當電磁攪拌時間過長時初生晶粒有團聚的趨勢，形成尺寸較大的樹枝晶，故設置試驗電磁攪拌時間恒定為12 s。為探究電磁頻率對組織的影響，分別設置雙向連續攪拌頻率為10、20、30、40 Hz。在獲得最佳電磁攪拌頻率的基礎上進一步探討了熔體施加不同電磁攪拌方式對凝固組織的影響。如單向連續攪拌、雙向連續攪拌、雙向間歇攪拌(中間停留2 s)。電磁攪拌方式如圖1所示。在鑄錠的軸向距底部10 mm處截取一個圓片，并從中切取一個過圓心的扇形圓片作為金相試樣。試樣經粗磨、細磨、拋光并利用0.5%HF水溶液進行腐蝕處理。在ZEISS AXIOSKOP2型光學顯微鏡觀察凝固組織，使用相關軟件Image-pro-plus、Excel對凝固組織中初生相的平均等積圓直徑和平均形狀因子進行測量計算，并依據和的數值對合金的凝固組織形貌進行判斷與描述。平均等積圓直徑和平均形狀因子計算公式分別為=2(/π)1/2和=4π/2，其中為凝固組織中初生相的平均周長，為初生相的平均面積。若的數值越趨近或者等于1則表明組織中初生相晶粒外形輪廓呈現近球形或球形，此時合金的凝固組織形貌最佳、性能最優。

圖1 不同電磁攪拌方式的示意圖

2 結果與分析

2.1 磁場頻率對合金凝固組織的影響

圖2所示為不同磁場頻率、相同攪拌時間、雙向連續電磁攪拌下鋁合金漿料的凝固顯微組織。從圖2可以看出，鋁熔體經雙向連續電磁攪拌處理后，顯微組織相較于傳統條件下的鑄態組織發生了顯著的變化。圖2(a)所示為熔體施加10 Hz雙向電磁連續攪拌時，初生相的形貌主要為少數發達的樹枝晶，一次枝晶主軸較長、二次枝晶臂粗大；在組織的邊緣處存在少量形貌不太規整的長條形和粗顆粒狀晶粒。合金漿料整體組織形態與分布均一性差異較大，難以滿足合格流變成形漿料的要求。通過圖像分析軟件測量顯示，此時其平均等積圓直徑46.5 μm, 形狀因子0.61。圖2(b)所示為初生α(Al)相在磁場頻率20 Hz作用下的組織形態。由10 Hz時發達的樹枝狀向長條狀、棒狀和近球狀轉變，并且由于電磁力增大使得枝晶碎斷、游離剪切，漿料中粗大的樹枝晶已消失殆盡。因此，晶粒的尺寸、形貌得以改善。平均等積圓直徑減小為42.3 μm，形狀因子增至0.69。當磁場頻率進一步增至30 Hz時，初生相的組織形貌如圖2(c)所示。此時組織中長條狀和近球狀的初生相(Al)在強烈的雙向攪拌作用下受到合金液流的沖刷向球狀轉變。合金液流的快速流動使得固相晶粒之間的碰撞、剪切概率進一步增大。因此，初生相的形態主要為球狀和近似球狀，晶粒圓整、彌散分布，平均等積圓直徑降至38.2 μm，形狀因子增大到0.75。當磁場頻率增至40 Hz時，磁場頻率增大使攪拌器內的液態合金在雙向攪拌力作用下，晶粒之間以及與鑄型型壁的碰撞強度增強，晶粒間接觸概率增大，形成大尺寸晶粒(如圖2(d)所示)，初生晶粒產生了明顯的粗化現象。此時初生相的組織形貌沒有進一步優化，長條狀和粗顆粒狀晶粒再次出現。平均等積圓直徑增加至45.7 μm，形狀因子降至0.67。

圖2不同磁場頻率雙向連續電磁攪拌下半固態A356鋁合金的初生相形貌

圖3所示為鋁合金熔體在雙向連續恒定電磁攪拌時間、不同磁場頻率作用下顯微組織中初生固相顆粒的平均等積圓直徑()和平均形狀因子()的變化關系曲線。結合圖2和3可以看出，電磁結晶器內的合金熔體在雙向連續電磁攪拌環境下隨磁場頻率的線性增加，流動狀態的改變使得漿料顯微組織中(Al)的平均等積圓直徑由46.5 μm急劇減小至38.2 μm。在磁場頻率為40 Hz時，初生相的尺寸出現大幅增長。形狀因子相較于平均晶粒直徑在磁場頻率線性變化的過程中呈現出相反的變化規律；在磁場頻率30 Hz時，形狀因子達到了極大值0.75。進一步增大磁場頻率時，形狀因子減小。因此，最佳磁場頻率為30 Hz。

圖3 不同磁場頻率雙向連續電磁攪拌下半固態A356鋁合金初生相的平均等積圓直徑和形狀因子

2.2 電磁攪拌方式對合金凝固組織的影響

在液態金屬凝固相變過程中，熔體的流動形式以及所處狀態可以影響初生相、共晶組織的形貌和尺寸，從而對合金的性能產生影響。特別是熔體在電磁場作用下的流動狀態因攪拌方式不同而不同。為此，在磁場頻率為30 Hz時，分析不同電磁攪拌方式對凝固組織中(Al)相的作用。圖4所示為鋁熔體施加單向連續電磁攪拌、雙向間歇電磁攪拌和雙向連續電磁攪拌時合金凝固組織。圖5所示為不同電磁攪拌方式下鋁合金漿料中初生相的平均等積圓直徑和形狀因子柱狀圖。由圖4可見，隨著電磁攪拌方式的變化，初生相的形貌特征和尺寸不斷優化。固液兩相熔體施加連續單向電磁攪拌處理時，在電磁體積力攪拌作用下，熔體內部凝固初期形成的發達樹枝晶受到液流的強力沖刷和折斷，枝晶斷裂、破碎成長條狀，此時初生相的平均等積圓直徑為46.2 μm、形狀因子0.71(如圖4(a)所示)。圖4(b)所示為半固態初生相(Al)在雙向間歇電磁攪拌下的形貌。凝固組織中尺寸較大的粒狀初生相轉變為細小的球狀以及橢圓狀，發達的樹枝晶基本消失，此時初生相的平均晶粒直徑為42.5 μm、形狀因子為0.78。圖4(c)所示為雙向連續電磁攪拌下初生相的形貌，此時初生相的形貌以及尺寸相較于單向連續攪拌、雙向間歇攪拌得到了不同程度的改善，主要以細小圓整的球晶為主，晶粒的均一性增強。平均晶粒直徑為36.4 μm、形狀因子為0.82。從圖4中可看出：雙向連續電磁攪拌獲得的初生相的形貌和尺寸相比于其他兩種電磁攪拌方式更加圓整、細小。其原因在于：一方面，單向連續電磁攪拌時，結晶器內液固兩相熔體隨磁場一起同向運動，熔體和磁場間相對運動強度較??；雙向連續電磁攪拌時，磁場和熔體間存在劇烈的相對運動，使得熔體中固相之間的碰撞、剪切概率增大，可促進初生相的細化。另一方面，雙向連續電磁攪拌時，熔體的流動方向發生了周期性的變化，熔體的熱量散失過程能夠在較短的時間內進行，穩定的熱環境有利于晶粒組織的球化。此外，雙向間歇電磁攪拌時，鋁熔體的流動狀態存在短時停留，凝固組織的細化程度有所降低。因此，在本研究考察電磁攪拌方式對合金漿料凝固組織的影響時，對比實驗結果可知，雙向連續電磁攪拌更加有利于獲得初生相細小的優質半固態漿料。

圖4 不同電磁攪拌方式下半固態A356鋁合金初生相的形貌

圖5 單向連續電磁攪拌、雙向間歇電磁攪拌和雙向連續電磁攪拌下半固態A356鋁合金初生相的平均等積圓直徑和形狀因子

3 討論

3.1 電磁場在鋁熔體中產生的流動對初生相的影響

研究表明[19]合金熔體凝固過程中主要存在3種流動方式：自然對流、強迫對流和亞傳輸過程的流動。當熔體流動方式不同時，將對溶質、微粒擴散、遷移和分布規律以及凝固界面的穩定性產生顯著影響，由此可對凝固組織的形貌、尺寸進行調控，最終控制合金材料的性能。

目前，由于凝固理論的不完善與研究手段的欠缺，人們對于固液共存、具有高黏性的半固態合金的流動規律及其溶質傳輸的認識與控制還受到一些限制。已有研究指出，電磁場作用下液態金屬的流動呈現為劇烈的強制對流，而且在較低頻率的電磁場擾動下，鋁合金熔體中可以產生混沌流動[20]。這意味著在利用電磁攪拌工藝制備半固態A356合金漿料的過程中，施加適當頻率電磁場能使A356鋁熔液發生混沌對流。這種混沌流動可以有效地改善結晶器內流體的混合效果[21?22]，尤其是高黏性的半固態合金熔體在電磁場作用下產生的混沌流動，可使熔體的流線紊亂、交織、重疊，有利于合金熔體中的溶質擴散且分布均勻，從而改善合金凝固組織[23]。

電磁攪拌使得晶粒細化的主要原因是：電磁場可在合金熔體內部產生強烈的紊流流動。依據電磁攪拌原理可知，當電磁場連續單向旋轉時，熔體內每一處產生的感應電動勢可使熔體中產生感應電流，感應電流與磁場相互作用使熔體受到Lorentz力。由于Lorentz力有徑向、切向和軸向3個分量，在這3個分力的作用下，使熔體中每個微粒都在電磁場內做三維運動，并形成混沌對流，使得流場內的溫度和濃度趨于均勻。另外，當合金凝固時，初生相從熔體中逐漸析出，初生相與熔體的物理性能(如電導率)有很大差異，這樣使得初生相與周圍熔體受到的Lorentz力有所不同，加速了初生相與周圍熔體的相對運動。隨著電磁場頻率的適當增加，混沌程度越大，相對運動會越大。液相流動時，特別是紊流流動，加劇了固/液界面的溫度起伏，凝固區域的局部溫度可能超過固相的熔點，使初生相枝晶臂發生局部熔化而從界面分離。同時，黏性熔體流動時的粘滯力可對初生相枝晶臂產生剪切作用，除了誘發再結晶，使熔體沿新晶界滲透使枝晶臂熔斷，或許可加速這些枝晶臂根部的溶質擴散和重熔。這些熔斷的枝晶臂隨熔體一起流動并被熔體沖刷，同時熔體中的枝晶之間互相碰撞等，這些都有利于細化初生相。

3.2 不同電磁攪拌方式下鋁熔體流動特性對細化初生相的影響

從3.1節的討論結果可知，電磁場下鋁熔體流動對合金漿料中初生相的細化具有顯著影響。具體到本研究中對結晶器內的半固態A356合金熔體施加不同的電磁攪拌方式攪拌處理時，合金熔體的流動特性因電磁攪拌方式不同將出現新特征。

單向連續電磁攪拌時，由于熔體與磁場間的同向運動特性，合金液流的流動方式由鑄型中心較為平緩的層流和邊緣區域電磁力誘導的紊流構成。溶質的擴散遷移路徑為沿著流體的流線或者流面，結晶器內熔體流動的紊亂程度較弱、溶質以及熱量的交換速率小。因此，凝固系統的溫度場、流場的均勻化有待進一步的提升，初生相呈現為圖4(a)所示的粗大長條狀形貌以及零散分布的類球狀形貌。然而，當合金熔體在雙向連續電磁攪拌作用下時，由于雙向電磁攪拌力周期性變化的緣故，熔體的流動呈現為強烈紊流，這就使得熔體內部的溶質擴散分布更加均勻，從而改善了凝固組織。雙向連續電磁攪拌使熔體的流動方式以紊流為主，層流基本消失。結晶器內的熔體處于混沌態，正是由于這種因電磁攪拌引起的熔體混沌流動對溶質擴散和半固態初生相的細化有重要影響[20]。

在雙向連續攪拌作用下，熔體中起初相互靠近的流體軌跡將按指數分離并進入到能量完全不同的流場結構部分，從而實現結晶器內部不同尺度的流體間物質和能量的傳遞，促使凝固系統的能量在宏觀上均勻化。另外，當合金熔體流動呈混沌狀態時，增強了流體宏觀運動攜帶熱量的能力以及強化了流體間的傳熱。一個相對穩定的熱環境是保證晶粒組織球化、細化和均勻化的重要途徑。合金漿料中初生相在雙向連續電磁攪拌作用下，由于溶質原子擴散傳輸能力的提升和穩定的熱環境雙重作用，促進了凝固組織的細化，此時初生相呈現為如圖4(c)所示的細小圓整的球形。

雙向間歇電磁攪拌時，熔體的流動混亂程度較弱。與雙向連續攪拌的強紊流相比，由于攪拌過程中熔體流動狀態存在短暫停留，從而導致流體間的剪切強度、熔體的動量和熱量交換有所衰減。因而，熔體內的溶質可能存在富集現象，不利于獲得優質半固態合金漿料。如圖4(b)所示，雙向間歇電磁攪拌時初生相的形貌為細小的球晶以及橢圓狀晶粒和少量的枝晶。

綜上所述，在液態合金凝固過程中施加不同的電磁攪拌方式時，熔體的流動狀態將形成不同的混亂程度。合適的電磁攪拌方式將使得合金熔體流動混亂程度適中，可以避免在合金鑄錠中出現因熔體流動混亂程度過于劇烈而導致的吸氣和卷入夾雜物等缺陷。因此，通過對比試驗結果可知，對于半固態A356合金熔體來說，最佳的電磁攪拌方式為雙向連續電磁攪拌。此電磁攪拌方式能夠制備出初生相尺寸細小、形貌較圓整的半固態合金漿料。

4 結論

1) 采用雙向連續電磁攪拌工藝可制備出優質的半固態A356合金漿料。通過實驗研究，獲得了合適的雙向連續電磁攪拌工藝參數：在620 ℃低過熱度澆注、磁場頻率30 Hz、雙向連續電磁攪拌12 s和590 ℃等溫保溫10 min等工藝條件下，初生相的形貌和尺寸達到最優。

2) 在磁場頻率30 Hz的條件下，比較了鋁合金熔體施加單向連續電磁攪拌、雙向間歇電磁攪拌、雙向連續電磁攪拌制備半固態A356合金漿料的效果。結果表明：雙向連續電磁攪拌相較于其他兩種電磁攪拌方式，可使鋁熔體處于強烈的紊流狀態，熔體中初生相碰撞剪切的強度和概率增大。另外，鋁熔體的運動慣性形成慣性沖擊，促進了凝固體系的傳質傳熱，改善了初生相的形貌和尺寸，其平均等積圓直徑和形狀因子分別為36.4 μm和0.82。

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Effects of two-way electromagnetic stirring on solidified microstructure of semisolid A356 aluminum alloy

LIU Zheng1, CHEN Tao2, CHEN Zhi-ping1

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China)

A semi-solid slurry with solidified structure of spherical or spheroid primary solid particles was obtained by using a self-designed electromagnetic control device to two-way electromagnetic stirring the aluminum melt in the mold. The influences of magnetic field frequency and electromagnetic stirring ways (single way continuous electromagnetic stirring, two-way continuous electromagnetic stirring, two-way intermittent electromagnetic stirring) on the morphological evolution of the primary phase were analyzed when the electromagnetic stirring time was constant at 12s. The results show that, with the increase of the magnetic field frequency, the morphologies of primary solid phase grains change from dendritic, long strip, coarse granular to spherical shape, the grain size first decreases and then increases, the optimum magnetic field frequency is 30 Hz. In this case, the average equal-area circle diameter of primary(Al) is 38.2 μm, and the average shape factor is 0.75. In addition, when two-way continuous electromagnetic stirring are applied on the liquid melt to form strong turbulence and inertial impact, the mass transfer and heat transfer of the solidified system are accelerated. The slurry structure of alloy is more compact and rounded than those by the single-way continuous electromagnetic stirring and two-way intermittent electromagnetic stirring.

semisolid; A356 aluminum; two-way electromagnetic stirring; solidification microstructure

(編輯 何學鋒)

Projects(51144009, 51361012) supported by the National Natural Science Foundation; Project (20142bab206012) supported by the Natural Science Foundation of Jiangxi Province, China; Project (GJJ14407)supported by the Science and Technology of Jiangxi Provincial Education Department, China

2016-09-02;

2017-12-21

LIU Zheng; Tel: +86-797-8312137; E-mail: liukk66@163.com

國家自然科學基金資助項目(51144009，51361012)；江西省自然科學基金資助項目(20142bab206012)；江西省教育廳科技資助項目(GJJ14407)

2016-09-02；

2017-12-21

劉 政，教授，博士；電話：0797-8312137；E-mail: liukk66@163.com

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.01.04

1004-0609(2018)-01-0031-08

TG146；TG244

A