旋轉磁場作用下A356-La合金徑向凝固組織形貌及稀土元素分布

陳 濤，劉 政，陳志平，胡詠梅

?

旋轉磁場作用下A356-La合金徑向凝固組織形貌及稀土元素分布

陳 濤1，劉 政2，陳志平2，胡詠梅3

(1. 江西理工大學 材料科學與工程學院，贛州 341000；2. 江西理工大學 機電工程學院，贛州 341000；3. 江西理工大學 工程研究院，贛州 341000)

利用OM、SEM分析低過熱度澆注、雙向低頻電磁攪拌和稀土元素細化處理復合技術制備的A356-La鋁合金鑄錠，考察電磁場作用時間恒定時，磁場頻率對合金鑄錠徑向顯微組織和稀土元素分布規律的影響，并在最佳工藝參數上探討熔體攪拌方式對徑向組織演化及均勻性的影響。結果表明：磁場頻率增加，晶粒球化程度顯著，生長方式由枝晶向球晶轉變，徑向組織以及稀土元素點狀彌散分布均勻性增強，磁場頻率25 Hz、0.7時達到最佳，平均等積圓直徑和形狀因子分別為36.2 μm和0.82；合金徑向3個采集點晶粒直徑和形狀因子的平均值達到41.6 μm和0.76。雙向連續攪拌作用于熔體時，組織形貌和均勻性優于單向連續攪拌、雙向間歇攪拌。此攪拌方式加快熔體內部質量傳輸、熱量傳遞進程，一定程度上避免集膚效應對組織均勻性的不利影響。

旋轉磁場；A356-La合金；稀土元素分布；攪拌方式；凝固組織均勻性

樹枝晶是合金凝固后常見的顯微組織形貌，這種復雜的組織形貌對合金材料的性能有著重要影響[1]。因此，有效地控制合金凝固過程中枝晶的生長行為，使其破碎演變為球形晶粒，對于獲得優質半固態合金漿料十分必要。半固態成形技術作為一種新型細晶漿料制備技術，在低熔點的鋁、鎂合金和高溫合金中應用日趨成熟[2?5]，為制備晶粒細小、圓整的優質合金漿料提供了技術選擇。

另外，從金屬凝固理論可知合金漿料組織細化的主要途徑是：激發熔體內部原子團簇大量形核，形成數目可觀的自由晶繼而控制晶粒長大過程使其尺寸穩定[6]。趙倩等[7]指出半固態電磁攪拌技術以磁力密度梯度大、磁能利用率高和穿透性強為特征，是調控半固態鋁合金漿料晶粒尺寸的有效途徑。當鋁熔體處于液固兩相溫度區間時，引入交變磁場，磁場與熔體間交互作用形成電磁攪拌力，引起熔體的三維強制流動，促使熔體內部的質量傳輸、熱量傳遞處于快速混合狀態，從而加快液相強制流動。還有研究表明[8?10]，強制對流環境下合金漿料中初生相、共晶相、二次相的晶粒尺寸得以細化，其形態規整和分布均勻性得到提升；合金元素的偏析現象得到改善。然而，由于合金是多種元素組分構成的體系，影響獲得完整球形且分布均勻的晶粒的因素較多(如熱力學與動力學條件；磁場集膚效應等)。另外，在合金熔體中添加適量稀土元素進行細化處理是優化合金凝固組織的有效方 式[11?14]。盡管筆者前期對恒定轉向磁場作用下熔體的流動特性[15]，加入稀土元素在電磁場調控下的擴散路徑、存在形式與分布狀態也已基本熟知[16]，但在雙向電磁攪拌處理下，熔體的流動方向、對流強度和電磁力的大小發生周期性變化時，可能導致稀土元素在合金中的傳輸、分布呈現新規律。這將對漿料晶粒組織演化產生重要的影響，為此需探明其中蘊含的工藝 信息。

綜上所述可知，目前關于鋁熔體中稀土元素在工頻范圍內雙向攪拌處理下的流動特性研究尚較少，雙向攪拌處理下稀土元素的擴散形式、分布狀態以及凝固組織演化機理有待探討。因此，本文作者對A356合金熔體施加雙向攪拌和稀土元素細化處理復合作用，研究不同電磁攪拌條件下合金徑向凝固組織的均勻性、初生相的演化規律和鑄錠徑向稀土元素的分布規律。以期通過利用稀土元素細化效應及低頻電磁場的電磁效應為合金材料的細化和強化提供試驗依據。

1 實驗

1.1 合金熔煉、細化變質和電磁場處理

試驗所用電磁攪拌裝置由三相異步電動機改制而成，通過電磁調頻控制器調節作用于液態合金熔體的磁場頻率來調控合金液流的流動速率、電磁力的大小和攪拌強度。在電磁場下，采用低過熱澆注和等溫保溫熱處理復合工藝制備合金漿料。試驗爐料為A356鋁合金，經DTA(Differential thermal analysis)測試合金的液相線溫度為615.3 ℃。鋁錠預熱后其熔煉實驗在SG2?5?12電阻坩堝爐內進行，熔煉溫度為720 ℃。在合金充分熔化靜置數分鐘后加入覆蓋劑，防止熔體在加熱過程中被氧化，保溫10 min后進行2~3次除氣除渣精煉。Al-La中間合金中La含量為20%(質量分數)，在爐溫780 ℃時將Al-La中間合金加入熔體中，以最終合金中含0.6 %La為基準控制其加入量，對熔體進行變質處理。待熔體溫度降至630 ℃時澆入預熱至 350 ℃的不銹鋼鑄型中，鑄型尺寸為55 mm×100 mm。電磁攪拌頻率設置為5 、15 、25和35 Hz，雙向連續攪拌20 s(正?反向各攪拌10 s)。即時通電啟動旋轉磁場，攪拌終了后將鑄型置于600 ℃的箱式電阻爐內保溫10 min。保溫結束后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。

1.2 試樣制取與測試分析

從不同工藝條件下合金鑄錠橫截面的中心部(0)、徑向0.7處和邊部(1)，在軸向距底部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。試樣經預磨、機械拋光后并利用0.5% HF (體積分數)水溶液進行腐蝕處理。隨后，采用ZEISS AXIOSKOP2型光學顯微鏡(OM)拍攝金像圖并進行組織分析。研究雙向電磁攪拌作用下稀土La在鑄錠徑向分布規律時，應用XL30W/TMP掃描電鏡(SEM)對不同磁場頻率下獲得的合金試樣徑向(0、0.7和1)拍取背散射電子像。為了探討攪拌方式對徑向凝固組織均勻性的影響，在前述研究電磁頻率參數和稀土分布位置較佳的工藝基礎上，對熔體施加不同攪拌方式(單向連續攪拌、雙向間歇攪拌(間歇時間4s)和雙向連續攪拌)，來研究攪拌方式對凝固組織形貌和均勻性的影響。另外，為了表征電磁攪拌下徑向凝固組織形貌圓整度和晶粒尺寸細化程度，利用Image-pro-plus和Excel測量計算各頻率下合金中初生相的形貌特征參數：平均等積圓直徑、平均形狀因子。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；=4π/2。式中：為合金中初生相的平均周長；為初生相的平均面積。若的數值越大或者越趨近于1，則表明漿料中初生相形貌圓整，此時，合金中的晶粒細化以及均勻化程度最大，組織性能最優。

2 結果與分析

2.1 磁場頻率對合金鑄錠徑向凝固組織的影響

圖1所示為不同磁場頻率下半固態A356-La合金鑄錠徑向初生相的形貌。從圖1可見，合金鑄錠中心部、0.7和邊部初生晶粒尺寸得到了不同程度細化。磁場頻率5 Hz作用于熔體時，電磁力驅動合金液流的流動速率和攪拌強度較弱，枝晶破碎、剪切程度有限。凝固組織形貌保留枝晶特征，晶界輪廓清晰可見。中心部的晶粒組織有明顯二次枝晶臂斷裂跡象和分支形態，0.7和邊部的初生相由細長條枝晶和薔薇狀晶粒構成，相較于中心部組織形貌有所優化，但整體組織形態較差，初生相的形貌還不能滿足流變成形的要求(見圖1(a)~(c))。Image-pro-plus測量顯示鑄錠0.7處初生相的平均等積圓直徑為62.6 μm、形狀因子0.55，若定義合金漿料徑向3個采集點初生相晶粒尺寸的均值作為合金徑向平均晶粒尺寸，則5 Hz磁場頻率處理下合金徑向平均晶粒直徑為69.1 μm、形狀因子0.53。圖1(d)~(f)是合金熔體施加15 Hz電磁攪拌時初生相的組織特征。頻率增加使電磁力對熔體的攪拌作用和枝晶破碎強度增強，改善了初生相形貌。鑄錠中心部發達枝晶的數目減少，邊緣薔薇晶向球晶演化；0.7處細長的枝晶向棒狀晶轉變；邊部薔薇晶的數量繼續增加，但依舊含有少量枝晶。合金0.7處晶粒平均直徑減小至53.7 μm、形狀因子增加到0.67；徑向平均晶粒直徑為64.8 μm、形狀因子為0.59。磁場頻率增至25 Hz時的晶粒組織形貌見圖1(g)~(i)，合金中枝晶組織已基本消失殆盡。中心部晶粒為橢圓形和類球形；在電磁力誘發的熔體強制對流沖刷下，棒狀晶粒逐步演化為如0.7處所示的細小球晶；鑄錠邊部合金液流受到鑄型和熔體間溫差所形成的激冷效應作用，使得漿料中出現了少量枝晶。此時，合金徑向0.7處初生相的平均等積圓直徑進一步細化至36.2 μm，形狀因子增至0.82；平均晶粒直徑進一步降至41.6 μm，形狀因子增至0.76，合金徑向平均晶粒尺寸呈現相似的增長關系。當磁場頻率35 Hz時，中心部、0.7和邊部的部分球狀初生相合并生長的趨勢增強，組織中出現了尺寸較大的枝晶(見圖1(j)~(l))。原因是由于磁場頻率增大，則熔體熱量散失速率增大，從而導致冷卻速率亦增大。為初生相向樹枝晶生長提供了動力學條件。因此合金鑄錠0.7處和徑向初生相的平均等積圓直徑分別增至44.2 μm和46.6 μm；形狀因子減小為0.73和0.70。

圖1 不同磁場頻率作用下半固態A356-La合金鑄錠徑向初生α相的形貌

綜合不同磁場頻率下合金鑄錠徑向凝固組織形貌、初生相的平均等積圓直徑和平均形狀因子的數值可知，在25 Hz、0.7處的晶粒相較于中心部和邊部更加細小圓整。另外，為了進一步直觀表明合金徑向凝固組織的細化和均勻程度時，定義各相鄰磁場頻率間合金徑向3個采集點初生相平均等積圓直徑和形狀因子均值間的差值分別記為Δd和Δf(如Δ1為5 Hz與15 Hz間合金徑向平均等積圓直徑的差值；Δ1為平均形狀因子的差值)。表1所列為表征合金徑向晶粒組織細化和圓整程度Δd和Δf的數值。由表1可知，晶粒的細化和球化過程主要發生在15~25 Hz，頻率繼續增加時，合金組織反而出現了惡化。在雙向連續電磁攪拌作用下，合金徑向顯微組織均勻性增強，晶粒尺寸波動幅度平緩。各頻率下半固態合金鑄錠0.7處初生相的平均等積圓直徑和形狀因子變化趨勢如圖2所示。由圖2可以看出，合金徑向最佳的試樣采集點位于0.7處，且25 Hz是獲取球晶的適宜頻率。

2.2 磁場頻率對合金鑄錠徑向稀土元素分布和形態的影響

文獻[17]中的結果表明，處于此磁場下熔體流動速率的最大值位于凝固界面前沿即在合金徑向0.7左右，流場速率與磁感應強度的分布特性和稀土元素在合金徑向的分布規律存在一定的關聯性。合金熔體凝固時對磁感應強度大小和磁感應線的分布規律數值模擬表明，熔體中的磁感應強度由鑄型中心向邊緣單調遞增變化，在邊緣附近磁感應強度處于峰值[18]。磁感應線的分布呈現類似規律，由中心稀疏到邊緣密集。為此，試驗選取0、0.7、1這3個徑向采集點分析稀土元素分布規律。圖3所示為25 Hz時半固態A356-La鋁合金鑄錠徑向稀土元素分布SEM-BE像。從圖3中可看出，亮白物主要分布于初生相的晶界和相界，依據Al-La二元合金相圖推斷亮白物為鋁鑭化合物，但稀土元素La在合金徑向分布均勻性和稀土化合物的形態卻存在差異。圖3(a)所示為稀土元素La在合金心部分布狀態。從圖中可看出，稀土化合相在晶界上錯亂分布，形態呈針狀，彌散均勻分布程度較弱，合金中存在稀土元素分布富集(貧化)現象。其原因是：合金中稀土La的原子半徑遠大于Al及其他元素的原子半徑，不固溶于Al基體中，只偏聚在晶界和相界；并且由于電磁場的分布特性使得電磁力對合金中心熔體的攪拌作用和合金液流的沖刷剪切效應對稀土化合相形態的控制作用幾乎趨近于零。由圖3(b)可看出，合金徑向0.7處稀土化合相的形態已由心部的針狀轉變為細點狀，彌散均勻分布，合金中沒有出現稀土元素富集(貧化)區域。其原理是電磁攪拌使熔體形成強制對流，熔體中的稀土元素在電磁力和離心力的復合驅動作用下，趨向沿著合金鑄錠的徑向由心部向邊部遷移，稀土元素在遷移過程中受到熔體粘滯力阻滯在合金凝固界面前沿駐留，合金液流在電磁力的攪動下強力沖刷凝固界面前沿駐留的稀土化合物，促進其形態向細點狀演化，均勻分布于合金漿料中。合金邊部(1)稀土元素分布如圖3(c)所示，針狀的稀土化合物再現，分布均勻程度較0.7處發生了明顯的衰減。解析導致邊部稀土化合物形態和分布出現此現象的機理是，試驗時鑄型中的凝固殼層在熔體澆注完畢后短時內形成，稀土元素在沿徑向遷移過程中被凝固殼層捕獲，此外凝固界面由型壁向熔體中心推進與沿徑向遷移的稀土元素碰撞使其停駐于型壁附近，凝固殼層的存在也使得電磁力對稀土化合物的攪拌效果衰減，從而導致了稀土化合物呈針狀在邊部富集(或貧化)。

2.3 熔體攪拌方式對合金鑄錠徑向0.7R處凝固組織及均勻性的影響

圖4所示為磁場頻率25 Hz且作用時間20 s的條件下不同攪拌方式時合金徑向0.7處初生相的形貌及均勻程度。由圖4可知，合金熔體攪拌方式變化是導致初生相的演化和尺寸發生改變的重要因素。圖4(a)所示為液態合金單向連續攪拌時的顯微組織，初生相由枝晶碎塊和類球晶構成，晶粒間的尺寸和圓整度相差較大，分布均勻性也較差。主要原因是：單向連續攪拌時，合金液流與磁場協同轉動；熔體的流場保持恒定的流向；流場狀態平穩、液相流速漲幅變化較??；熔體中初生晶粒受到液流沖刷強度較弱以及鑄型內高溫熔體熱量散失速率較小。此時初生相的平均等積圓直徑為45.3 μm、形狀因子為0.72。晶粒的尺寸和形態均勻程度有待進一步優化。當熔體施加雙向連續攪拌時，晶粒尺寸細小，凝固組織以球晶為主。雙向電磁攪拌力的大小和方向周期性變化驅動合金熔體強制對流，導致結晶器內的固液兩相金屬液流混合折疊程度加強，固相顆粒與液態金屬間熱量交換速率增大，溶質處于快速傳輸狀態促進了凝固系統溫度場和溶質場的均勻化，為晶粒形核和抑制其生長過程提供了熱力學和動力學條件，促使晶粒在凝固整個進程中保持向球晶演化趨勢。此時初生晶粒的平均等積圓直徑減小至36.2 μm、形狀因子增至0.82(見圖4(b))。另外，電磁攪拌過程中短時間歇所制備的合金漿料凝固組織見圖4(c)，初生相為狹長枝晶和大尺寸的橢球晶。漿料中初生固相晶粒較單向攪拌、雙向連續攪拌向枝晶轉變趨勢增強。此時初生相相的平均等積圓直徑反增至47.6 μm、形狀因子降至0.68。

表1 相鄰磁場頻率間半固態A356-La合金3個采集點初生α(Al)相平均等積圓直徑與形狀因子均值間的差值Δdi與Δfi

圖2 不同磁場頻率作用下半固態A356-La合金鑄錠徑向0.7R處初生相的平均等積圓直徑與形狀因子

圖3 25 Hz時半固態A356-La鋁合金鑄錠徑向稀土元素分布SEM-BE像

圖4 25 Hz時不同熔體攪拌方式下半固態A356-La合金鑄錠徑向0.7R處初生α相的形貌

圖5所示為磁場頻率25 Hz不同熔體攪拌方式下半固態合金鑄錠徑向0.7處初生相平均等積圓直徑和形狀因子的曲線圖。為從數學上定性反映不同熔體攪拌方式間半固態合金鑄錠徑向0.7處初生相的細化和均勻化程度，定義Δ1表示雙向間歇攪拌和雙向連續攪拌下初生晶粒平均等積圓直徑的差值；Δ1表示雙向間歇攪拌和雙向連續攪拌下初生晶粒平均形狀因子的差值。Δ2表示雙向間歇攪拌和單向連續攪拌下初生晶粒平均等積圓直徑的差值；Δ2表示雙向間歇攪拌和單向連續攪拌下初生晶粒平均形狀因子的差值。Δ1、Δ1、Δ2、Δ2的數值分別為?11.4、0.14、?2.3、0.04，Δ1＜Δ2＜0；Δ1＞Δ2＞0。定性結果亦顯示出與圖5合金凝固組織形貌演化規律相一致的結論：雙向連續攪拌較其他兩種攪拌方式處理下初生相的細化和均勻化程度更高，此攪拌方式更有利于細晶漿料的制備。

圖5 磁場頻率25 Hz不同熔體攪拌方式作用下半固態A356-La合金徑向0.7R處初生相的平均等積圓直徑和形狀因子

3 討論

3.1 集膚效應對合金鑄錠徑向凝固組織的影響

磁場環境下鋁熔體可視為一種具有高黏性的導電材質，在旋轉磁場作用下合金熔體周期性的旋轉運動切割磁感應線感生感應電流，感應電流與磁場間交互作用形成Lorentz力，對熔體產生強烈的攪拌作用。電磁場磁感應強度數值模擬表明[18]，磁感應強度在電磁結晶器的徑向從中心到型壁邊緣磁感應強度大小單調遞增梯度變化；磁力線由中心稀疏到邊緣密集。依據洛倫茲力方程[19]：=×。為Lorentz力；為電流密度；為磁感應強度?？芍狶orentz力在合金熔體徑向的分布呈現與磁感應強度相似規律。因此，鑄型徑向位于不同位置的初生相受到電磁力的大小和方向、合金液流的沖刷強度、熱量傳導和質量傳輸方式以及晶粒間的碰撞剪切強度和概率都存在顯著差異，從而導致初生相在合金漿料徑向的組織形態及均勻性呈非均衡狀態。這種由于電磁場自身分布特性所誘導的合金漿料初生相徑向演化方式、晶粒形態以及分布的差異稱之為集膚效應。磁感應強度在合金熔體中的作用機理可用集膚深度進行表征，集膚深度的表達式為[20]：=[1/(π?)]1/2。式中：為鋁合金電導率；?為旋轉磁場電流頻率；為鋁合金熔體的磁導率。從表達式可以看出電流頻率與熔體集膚效應呈反比關系，電磁攪拌過程中鋁合金的電導率處于相對恒定時，當旋轉頻率減小，集膚深度增大。相反，旋轉頻率增大，集膚深度反而減小。低頻攪拌(5 Hz)時，磁感應強度在熔體內部的作用距離較長，磁感應線貫穿整個熔體，使其整體處于電磁攪拌作用下。但由于磁場頻率處于低位電磁攪拌，其攪拌強度較弱，電磁力對合金漿料中初生枝晶的剪切作用有限。此外，鑄型中的高溫金屬熔體與已預熱的鑄型間仍存在較大的溫差，型壁處的晶粒沿熱流反方向以枝晶形態向熔體心部生長。因此，在鑄錠邊部及心部、0.7處初生相都形成了粗大的枝晶(見圖1(a)~(c))。當磁場頻率適當提升(15 Hz、25 Hz)，此時雖然電磁感應強度在熔體中的作用距離有所減小，但電磁力的增大使熔體形成強烈的混合對流，加快熔體內部質量傳輸、熱量傳遞，使晶粒的形核處于一個相對穩定的凝固體系中，自由晶的數量大大增加，晶核四周長大環境總體保持一致。合金鑄錠的中心部(0)、0.7和邊部(1)處的晶粒組織較低頻攪拌得到了顯著優化，此時初生相基本呈現球形(見圖1(d)~(i))，0.7處初生相的形貌達到最佳。其原因為：一方面，合適的電磁頻率攪拌避免了熔體心部高溫對晶粒的熔蝕，能夠獲得大量的自由晶核，保證了晶粒向球晶演化所需要的高晶核密度；另一方面，抑制了型壁激冷效應所誘導的枝晶生長趨勢。此外，磁場頻率25 Hz與熔體慣性響應頻率接近，對克服自然對流、減小晶粒凝固前沿溫度和濃度梯度的作用更加明顯，抑制了枝晶生長。當磁場頻率35 Hz時，熔體形成大的集膚效應，電磁體積力僅作用于合金漿料的表面，對液態合金的攪拌作用有限，使得結晶器中心的合金熔體幾乎不具有攪拌效果，合金中心部(0)、0.7和邊部晶粒的形態都有所惡化。因此，得到了形貌如圖1(j)~(l)所示尺寸較大的短棒狀和枝狀晶。

3.2 雙向電磁場作用下稀土元素遷移分布規律

合金熔體在電磁力的徑向分量和軸向分量作用下主要發生了與磁場轉動方向同向的周向流動和繞軸的軸向環流，且周向流動速率遠大于軸向流率[21]。因此，鑄型內合金液流的流動形式以周向為主導。電磁場環境下熔體中溶質原子隨金屬液流在電磁力徑向分量的作用下，從熔體中心的高溫區向鑄型型壁附近的低溫區遷移。在溶質原子遷移過程中，原子遷移速率與原子半徑存在正相關性，即原子半徑越大，遷移速率越大。在A356-La合金中，稀土La的原子半徑遠遠大于其他合金元素的原子半徑。因此，La原子向鑄錠邊部運動的趨勢更大，并且隨著離熔體中心距離的增加，原子運動的線速度增大，這種運動趨勢也將更加明顯。從而導致電磁力的攪拌效應對合金中心部的溶質原子擴散、遷移作用失效，形成了如圖3(a)所示的針狀且分布無序的稀土化合物。另外，處于固液相區的A356- La合金熔體具有較高的黏性，合金漿料中溶質原子沿徑向擴散遷移時將受到熔體粘滯力的阻滯。但是溶質原子向鑄錠邊部的擴散還要受到鑄型壁上已結晶的凝固層向熔體中心推進的固/液凝固界面的阻礙。隨著熔體溫度的降低，由型壁處形成的凝固層的固/液界面向鋁合金熔體內部推進，并與向外遷移的溶質原子相遇，在其凝固前沿駐留、聚集[22]。因此，稀土元素在0.7處沒有出現邊部的富集(或貧化)現象，在適宜的沖刷力作用下，稀土化合相均勻且呈點狀分布。此外雖然合金邊部溶質原子受到了最大電磁攪拌力的攪拌作用，但合金邊部凝固環境更加復雜以及凝固界面對溶質原子的吸附作用，從而導致了如圖3(c)所示的稀土化合相針狀形態再現。

4 結論

1) 合金熔體在不同磁場頻率攪拌處理下獲得了初生相尺寸細小、形貌圓整的半固態合金鑄錠，鑄錠中心部和邊部晶粒呈枝晶形態；0.7處初生(Al)形貌以類球晶或球晶為主。25 Hz磁場頻率作用下，半固態合金鑄錠徑向0.7處晶粒尺寸和均勻性最佳，平均等積圓直徑為36.2 μm、形狀因子為0.82，且在該工藝條件下，合金徑向初生相的平均等積圓直徑均值為41.6 μm，平均形狀因子均值為0.76。

2) 不同磁場頻率旋轉磁場作用下合金徑向稀土元素的分布均勻性以及存在形態表明，在磁場頻率25 Hz、合金鑄錠徑向0.7處，顯微組織中稀土元素均勻彌散分布、形態呈細點狀；稀土元素的富集(或貧化)現象以及稀土化合相的形態得到有效的控制。

3) 施加25 Hz磁場頻率不同電磁攪拌方式下合金鑄錠0.7處晶粒組織形貌和均勻性表明，3種攪拌方式間初生晶粒的尺寸和形狀因子的差值存在不等式關系：Δ1＜Δ2＜0、Δ1＞Δ2＞0。雙向連續攪拌促進了凝固體系質量傳輸、熱量傳遞。較單向連續攪拌、雙向間歇攪拌獲得了尺寸更加細小，形態規整的球晶組織。平均等積圓直徑為36.2 μm、形狀因子為0.82，組織的均勻性也大大提升，有效地減緩了磁場集膚效應對凝固組織均勻性的不利影響。

[1] 郭春文, 李俊杰, 馬 淵, 王錦程. 定向凝固過程中枝晶側向分枝生長行為與強制調控規律[J]. 物理學報, 2015, 64(14): 333?340.

GUO Chun-wen, LI Jun-jie, MA Yuan, WANG Jin-chen. Growth behaviors and forced modulation characteristics of dendritic sidebranches in directional solidi?cation[J]. Acta Physica Sinica, 2015, 64(14): 333?340.

[2] METAN V, EIGENFELD K. Controlling mechanical and physical properties of Al-Si alloys by controlling grain size through grain refinement and electromagnetic strring[J]. The European Physical Journal Special Topics, 2013, 220(1): 139?150.

[3] BOLOURI A, SHAHMIRI M, KANG C G. Coarsening of equiaxed microstructure in the semisolid state of aluminum 7075 alloy through SIMA processing[J]. Journal of Materials Science, 2012, 47(8): 3544?3553.

[4] DOBRZANSKI L A, KROL M, TANSKI T, MANIARA R. Effect of cooling rate on the solidification behavior of magnesium alloys[J]. Archives of Computational Materials Science and Surface Engineering, 2009, 1(1): 21?24.

[5] SAHOO R, MANTRY S, SAHOO T K, JHA B B. Influence of microstructure on high temperature solid particle erosion behaviour of Ti-6Al-4V alloy [J]. Transactions of the Indian Institute of Metals, 2014, 67(3): 299?304.

[6] 高義民. 金屬凝固原理[M]. 西安: 西安交通大學出版社, 2010: 30.

GAO Yi-min. Metal solidification principle[M]. Xi’an: Xi’an Jiaotong University Press, 2010: 30.

[7] 趙 倩, 張興國，張環月, 郭建設, 侯曉光, 房燦峰. 螺旋磁場電磁攪拌的數值模擬[J]. 中國有色金屬學報, 2014, 24(4): 1041?1049.

ZHAO Qian, ZHANG Xing-guo, ZHANG Huan-yue, GUO Jian-she, HOU Xiao-guang, FANG Chuan-feng. Numerical simulation of spiral magnetic field of electromagnetic stirring[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2014, 24(4): 1041?1049.

[8] SEO P K, LEE S M, KANG C G. A new process proposal for continuous fabrication of rheological material by rotational barrel with stirring screw and its microstructural evoluation[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2009, 209(1): 171?180.

[9] JI S, FAN Z, BEVIS M J. Semi-solid processing of engineering alloys by a twin-screw rheomoulding process[J]. Materials Science and Engineering A, 2001, 299(1/4): 210?217.

[10] WANNASIN J, MARTINEZ R A, FLEMINGS M C. Grain refinement of an aluminum alloy by introducing gas bubbles during solidification [J]. Scripta Materialia, 2006, 55(2): 115? 118.

[11] LI J H, SUETSUGU S, TSUNEKAWA Y, SCHUMACHER P. Refinement of eutectic Si phase in Al-5Si alloys with Yb additions[J]. Metallyrgical and Materials Transactions A, 2013, 44(2): 669?681.

[12] KAUR P, DWIVEDI D K, PATHAK P M. Effect of electromagnetic stirring and rare earth compuounds on the microstructure and mechanical properties of hypereutectic Al-Si alloys[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2012, 63(1/4): 415?420.

[13] 劉騰，滕新營，周國榮, 劉立艷. 微量Y、Er元素對AZ91鎂合金微觀組織及力學性能的影響[J]. 稀有金屬材料與工程, 2012, 41(11): 1940?1944.

LIU Teng, TENG Xin-ying, ZHOU Guo-rong, LIU Li-yan. Effects of Y and Er addition on microstructure and mechanical properties of as-cast AZ91 alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2012, 41(11): 1940?1944.

[14] TAN C, ZHANG K, TIAN X, CAI W. Effect of Gd addition on microstructure, martensitic transformation and mechanical properties of Ni50Mn36Sn14 ferromagnetic shape memory alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2017, 692: 288?293.

[15] 劉 政, 張嘉藝, 余昭福. 電磁場作用下中鋁合金熔體流動的混沌特征的仿真與分析[J]. 中國有色金屬學報, 2015, 25(11): 3026?3032.

LIU Zheng, ZHANG Jia-yi, YU Zhao-fu. Simulation and analysis on chaotic characteristic of flow in Al alloy melt under electromagnetic field[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2015, 25(11): 3026?3032.

[16] 劉 政，陳 濤，陳志平. 雙向電磁攪拌對半固態A356鋁合金凝固組織的影響[J] 中國有色金屬學報, 2018, 28(1): 31?38.

LIU Zheng, CHEN Tao, CHEN Zhi-ping. Effects of two-way electromagnetic stirring on solidified microstructure of semisolid A356 aluminum alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2018, 28(1): 31?38.

[17] 張偉強. 金屬電磁凝固原理與技術[M]. 北京: 冶金工業出版社, 2004.

ZHANG Wei-qiang. Principles and techniques of electro- magnetic solidification of metals[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2004.

[18] 陳興潤, 張志峰, 徐 駿, 石力開. 電磁攪拌法制備半固態漿料過程電磁場、流場和溫度場的數值模擬[J]. 中國有色金屬學報, 2010, 20(5): 937?945.

CHEN Xing-run, ZHANG Zhi-feng, XU Jun, SHI Li-kai. Numerical simulation of electromagnetic field, flow field and temperature field in semi-solid slurry preparation by electromagnetic stirring[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 20(5): 937?945.

[19] ZHANG Z F, CHEN X R, XU J, SHI L K. Numerical simulation on electromagnetic field, flow field and temperature field in semisolid slurry preparation by A-EMS[J]. Rare Metals, 2010, 29(6): 635?641.

[20] GOLAK S. Manufacture of locally reinforced composite discs by casting in the alternating electromagnetic field[J]. Advances in Materials Science and Engineering. 2015, 2015(1): 1?7.

[21] 張 琦, 金俊澤, 王同敏, 李廷舉, 郭慶濤. 金屬液在旋轉電磁攪拌器作用下的流動分析[J]. 中國有色金屬學報, 2007, 17(1): 98?104.

ZHANG Qi, JING Jun-zhe, WANG Tong-min, LI Ting-ju, GUO Qing-tao. Analysis of molten metal flow in rotating magnetic field[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2007, 17(1): 98?104.

[22] 劉 政, 劉小梅, 朱 濤, 諶慶春. 低頻電磁攪拌對半固態鋁合金中稀土分布的影響[J]. 金屬學報, 2015, 51(3): 272-280

LIU Zheng, LIU Xiao-mei, ZHU Tao, CHEN Qing-chun. Effects of electromagnetic stirring with low current frequency on RE distribution in semisolid aluminum alloy[J]. Acta Metallugica Sinica, 2015, 51(3): 272?280.

(編輯 王 超)

Radial solidification microstructure and rare earth elements distribution of A356-La alloy under rotating magnetic field

CHEN Tao1, LIU Zheng2, CHEN Zhi-ping2, HU Yong-mei3

(1. School of Materials Science and Engineering,Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China;2. School of Mechanical and Electrical Engineering,Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China;3. Institute of Engineering and Research, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China)

A356-La aluminum alloy ingot prepared by composite technology of low superheat pouring, two-way low-frequency electromagnetic stirring and rare earth element refinement were analyzed by OM and SEM, which contains the microstructure with fine size and round shape primary phase. The influence of magnetic field frequency on the radial microstructure and distribution of rare earth elements in alloy ingot was investigated, when the stirring time of electromagnetic field was constant. The results indicate that when the frequency of magnetic field increases, the degree of grain spheroidization becomes significantly better. The growth mode of grain changes from dendrite grain to globular grain, and the distribution of microstructure along the radial and rare earth element becomes uniform. When the magnetic field frequency is 25 Hz and the radius is 0.7, the morphology of the primary phase can reach at optimum. The average equal-area circle diameter and shape factor of the primary phase are 36.2 μm and 0.82, respectively. The average primary phase diameter and shape factor from the three collecting points in the radial direction are 41.6 μm and 0.76, respectively. In addition, the influence of melt stirring ways on the evolution and uniformity of microstructure along the radial was discussed under the optimum technological parameters. It indicates that the morphology and uniformity of the microstructure obtained from the two way continuous stirring are better than the single way continuous stirring and two-way intermittent stirring. This stirring way accelerates the internal mass transfer and heat transfer process of the melt, and then, to a certain extent, the adverse effect of skin effect on uniformity of solidification structure can be avoided.

rotating magnetic field; A356-La alloy; distribution of rare earth elements; stirring method; solidification microstructure uniformity

Projects (51144009, 51361012) supported by the National Natural Science Foundation of China; 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

2016-12-08;

2017-04-17

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

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.03.06

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)；江西省教育廳科技項目(GJJ14407)

2016-12-08；

2017-04-17

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

1004-0609(2018)-03-0483-09

TG146；TG244

A