近液相線鑄造過(guò)程中近球形α相的形成機(jī)理

王 娜，周志敏，路貴民

(1.東北大學(xué)理學(xué)院，沈陽(yáng)110004，E-mail:zmzhou@imp.neu.edu.cn;2.華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，上海200237)

近液相線鑄造過(guò)程中近球形α相的形成機(jī)理

王 娜1，周志敏1，路貴民2

(1.東北大學(xué)理學(xué)院，沈陽(yáng)110004，E-mail:zmzhou@imp.neu.edu.cn;2.華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，上海200237)

為從理論上弄清近液相線半連續(xù)鑄造過(guò)程中鋁合金半固態(tài)組織形成的基本規(guī)律和機(jī)制，研究了澆注溫度、鑄造速度和冷卻強(qiáng)度等工藝參數(shù)對(duì)6061合金初生α相演變的影響，根據(jù)金相檢測(cè)和多尺度計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果，分析了近球形α相的形成機(jī)理.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在澆注溫度為657℃、鑄造速度為150 mm/min、冷卻水流量為0.05 m3/min時(shí)可獲得具有細(xì)小、分布均勻的近球形初生α相的6061半固態(tài)合金.理論分析和計(jì)算機(jī)模擬表明：晶粒周?chē)鷿舛葓?chǎng)的疊加將提高固/液界面的穩(wěn)定性和晶粒在各個(gè)方向上生長(zhǎng)的均勻性，促進(jìn)近球形初生α相的形成;鑄造工藝參數(shù)通過(guò)影響熔體內(nèi)的形核率和長(zhǎng)大速率決定最終的微觀組織形貌特征;控制近液相線半連續(xù)鑄造工藝參數(shù)可使熔體中的形核和長(zhǎng)大過(guò)程達(dá)到合理匹配，從而獲得優(yōu)質(zhì)的半固態(tài)漿料.

半固態(tài)成形;近液相線半連續(xù)鑄造;初生α相;多尺度模擬

半固態(tài)合金非枝晶組織的形成規(guī)律及機(jī)理是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題.早在20世紀(jì)70年代，F(xiàn)lemings等［1－2］就提出了枝晶機(jī)械斷裂理論，認(rèn)為在凝固過(guò)程中機(jī)械攪拌和熔體的劇烈沖刷作用使得枝晶臂斷裂脫落，成為新的晶體生長(zhǎng)核心，最終形成近球形晶粒.Tzimas等［3－4］也在實(shí)驗(yàn)中觀察到了類(lèi)似的現(xiàn)象.Vogel等［5］和Apaydin等［6］認(rèn)為，凝固初期生長(zhǎng)的枝晶由于彎曲形成大量位錯(cuò)，通過(guò)回復(fù)和再結(jié)晶形成晶界，并被高溫熔體潤(rùn)濕而斷裂，繼而形成非枝晶晶粒.Hellawell等［7］認(rèn)為，攪拌引起的熔體紊流加劇了固－液界面的溫度波動(dòng)，在十分強(qiáng)烈的溫度起伏作用下，使得進(jìn)入高溫區(qū)的枝晶產(chǎn)生局部重熔而脫離.張景新等［8］認(rèn)為對(duì)流引起的晶粒漂移增大了非均質(zhì)形核率，使晶粒各個(gè)方向上的傳熱、傳質(zhì)條件趨于一致，改變了晶粒的生長(zhǎng)形態(tài).近年來(lái)，控制熔體形核的理論受到人們的關(guān)注，通過(guò)快速形核抑制枝晶的生長(zhǎng)，人們以此為基礎(chǔ)研制出新的半固態(tài)漿料制備技術(shù).一種促進(jìn)形核的方法是將2種不同成分的合金熔體在不同溫度混合起來(lái)形成溫度分布均勻的過(guò)冷熔體，使熔體內(nèi)部均勻產(chǎn)生大量的晶核［9－10］;另一種是在稍高于液相線溫度時(shí)，采用高速旋轉(zhuǎn)的銅棒使熔體激冷，并在熔體溫度降至液相線溫度以下時(shí)立即取出，快速冷卻作用以及熔體與激冷棒的接觸表面大大促進(jìn)了熔體內(nèi)的異質(zhì)形核率［11］.近年來(lái)還產(chǎn)生不少其他提高形核率的方法［12－13］.

本文以6061合金為研究對(duì)象，研究了近液相線半連續(xù)鑄造過(guò)程中α相的演化過(guò)程，分析了近球形α相形成的基本規(guī)律及機(jī)理，發(fā)現(xiàn)晶粒周?chē)鷿舛葓?chǎng)的疊加會(huì)提高固/液界面的穩(wěn)定性和晶粒在各個(gè)方向上生長(zhǎng)的均勻性，促進(jìn)近球形初生α相的形成，熔體中的形核和長(zhǎng)大過(guò)程達(dá)到合理匹配是獲得優(yōu)質(zhì)半固態(tài)漿料的前提條件.

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用6061合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為:Si 0.63、Mg 1.09、Fe 0.11、Ti 0.07、Cu 0.39、Cr 0.22、Al余量.6061合金的固液相線溫度分別為582.6、652℃，該合金具有較寬的凝固區(qū)間，有利于漿料控制和實(shí)驗(yàn)操作.合金以含Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.7%的工業(yè)純鋁、AlSi20鋁－硅中間合金、金屬鎂等為原料在中頻爐內(nèi)進(jìn)行熔煉配制而成，經(jīng)除氣、精煉和扒渣后轉(zhuǎn)入中間保溫包，中間保溫包由Pt－Rh/Pt熱電偶與計(jì)算機(jī)控溫儀精確控制溫度，溫度偏差為±1℃.合金隨爐冷卻至設(shè)定溫度后開(kāi)始計(jì)時(shí)，保溫10 min后，分別以不同的澆注溫度、鑄造速度及冷卻強(qiáng)度進(jìn)行澆注，最終獲得Φ120 mm×1600 mm的6061合金半固態(tài)鑄錠，實(shí)驗(yàn)裝置采用自制的半連續(xù)鑄造設(shè)備，設(shè)備示意圖如圖1所示.

圖1 半連續(xù)鑄造設(shè)備示意圖

用于微觀組織觀測(cè)的試樣在錠坯中心部位垂直橫截面上切取，試樣經(jīng)過(guò)粗磨、精磨、拋光后用由2 mL HF溶液、3 mL HCl溶液、5 mL HNO3溶液和190 mL H2O溶液配成的混合酸腐蝕，采用Leica DMR顯微鏡觀察金相組織，同時(shí)用圖像分析軟件Image－Pro Plus計(jì)算出晶粒尺寸(等積圓直徑2(A/π)1/2)與平均圓度P2/(4πA)，其中A為晶粒截面積，P為晶粒周長(zhǎng).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2為鑄造速度150 mm/min，冷卻水流量0.05 m3/min，澆注溫度分別為720、662、657℃時(shí)6061合金鑄錠中心部位微觀組織。由圖2可知，在相同的鑄造速度和冷卻條件下，當(dāng)澆注溫度為720℃時(shí)，晶核數(shù)目較少，初生α相尺寸粗大，形態(tài)為樹(shù)枝狀，如圖2(a)所示;當(dāng)澆注溫度降低至662℃時(shí)，自由晶核數(shù)目大幅增多，枝晶組織明顯減少，出現(xiàn)近球形初生α相和薔薇狀晶粒，晶粒的平均尺寸為93 μm左右，平均圓度為1.64，如圖2(b)所示;當(dāng)澆注溫度降低到657℃時(shí)，自由晶核數(shù)量進(jìn)一步增多，初生α相變得細(xì)小、圓整且分布均勻，晶粒的平均尺寸為40 μm左右，平均圓度為1.36，如圖2(c)所示.

澆注溫度657℃，冷卻水流量0.05 m3/min，鑄造速度分別為150、170、200 mm/min時(shí)近液相線半連續(xù)鑄造6061合金鑄錠的微觀組織如圖3所示.結(jié)果表明:隨著鑄造速度由150 mm/min增加到200 mm/min，初生α相由均勻分布的細(xì)小近球狀→薔薇狀→粗大近球狀+枝晶;鑄造速度為150 mm/min時(shí)，初生α相為細(xì)小、分布均勻的近球形晶粒.

冷卻強(qiáng)度通過(guò)影響熔體溫度場(chǎng)和相變時(shí)的過(guò)冷度對(duì)液固相變的形核率和長(zhǎng)大速率之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系產(chǎn)生較大的影響.如圖4所示，當(dāng)冷卻強(qiáng)度不足時(shí)凝固后形成粗大的薔薇狀晶粒，而當(dāng)冷卻強(qiáng)度較大時(shí)形成了細(xì)小、均勻的非枝晶組織.

圖2 不同澆注溫度下6061合金的微觀組織

圖3 不同鑄造速度下6061合金的微觀組織形貌

圖4 不同冷卻強(qiáng)度下6061合金的微觀組織形貌

3 討論

晶粒的大小和形貌是由凝固過(guò)程中的形核速率和長(zhǎng)大速率的競(jìng)爭(zhēng)決定的，調(diào)節(jié)近液相線半連續(xù)鑄造工藝參數(shù)可以使合金熔體的溫度場(chǎng)優(yōu)化，使形核速率和長(zhǎng)大速率達(dá)到最佳匹配，從而提高形核數(shù)目和抑制枝晶生長(zhǎng).

當(dāng)熔體在液相線溫度附近保溫一段時(shí)間后，熔體內(nèi)溫度場(chǎng)均勻，孕育形核充分.同時(shí)在凝固過(guò)程中產(chǎn)生的相變潛熱以及熔體中的傳熱不致引起溫度的較大波動(dòng)，在整個(gè)橫截面上較均勻形核的同時(shí)，晶粒生長(zhǎng)的速度適中，從而獲得細(xì)小非枝晶組織，如圖2(c)所示.否則，形核率過(guò)低或長(zhǎng)大速度過(guò)快都將因凝固潛熱和成分過(guò)冷的影響，使得晶粒數(shù)目減少、長(zhǎng)大不均勻，不利于鑄錠中細(xì)小均勻的非枝晶組織形成，如圖2(a)所示.

鑄造速度對(duì)組織的影響是通過(guò)改變鑄錠橫截面的溫度分布以及液穴深度造成的.鑄造速度較低時(shí)(150 mm/min)，熔體中心部位的熱量能夠順利傳遞到邊部并被冷卻水帶走，使得整個(gè)橫截面上的溫度場(chǎng)相對(duì)均勻，有利于形成分布均勻的細(xì)小非枝晶組織，如圖3(a)所示.當(dāng)鑄造速度增加到170 mm/min時(shí)，中心部位熱量不能及時(shí)傳遞出去，造成橫截面上從中心部位到邊部的溫度梯度加大，形核不均勻和長(zhǎng)大速率相差較大，形成薔薇狀組織，如圖3(b)所示.當(dāng)鑄造速度進(jìn)一步增加至200 mm/min，鑄錠表面極有限范圍內(nèi)冷卻強(qiáng)度較大，溫度較低速鑄造時(shí)高，形核數(shù)目減少，凝固組織中有球狀晶和薔薇晶，如圖3(c)所示.

冷卻強(qiáng)度對(duì)鑄造組織的影響是通過(guò)改變?nèi)垠w的溫度場(chǎng)和相變時(shí)的過(guò)冷度從而改變形核率和長(zhǎng)大速率的相對(duì)大小實(shí)現(xiàn)的.當(dāng)冷卻強(qiáng)度較低時(shí)，傳熱速度慢以及凝固潛熱的作用，使得形核率降低，晶粒有足夠的自由長(zhǎng)大空間，形成粗大的薔薇狀及近球形晶粒，如圖4(a)所示.隨著冷卻強(qiáng)度增大，冷卻釋放出來(lái)的潛熱得以及時(shí)傳出，改善了形核率和長(zhǎng)大速率的相對(duì)關(guān)系，從而形成細(xì)小非枝晶組織，如圖4(b)所示.

由于澆注過(guò)程很難取樣觀察組織演變過(guò)程，所以采用文獻(xiàn)［14～16］建立的半連續(xù)鑄造多尺度模擬的模型分析近液相線半連續(xù)鑄造過(guò)程中初生α相的形態(tài)演變過(guò)程.

圖5為6061合金在澆注溫度657℃、鑄造速度150 mm/min、冷卻水流量為0.05 m3/min的工藝條件下進(jìn)行近液相線半連續(xù)鑄造的微觀組織演變過(guò)程模擬圖.模擬材料的物性參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)［17］.可以看出:采用近液相線澆注時(shí)大量晶核同時(shí)產(chǎn)生，晶核之間的間距較小，抑制了枝晶的生長(zhǎng);另外，由于溫度場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)較均勻，晶粒在各方向上均勻生長(zhǎng);如圖5所示，晶核A在過(guò)冷條件下向液相中生長(zhǎng)，排出溶質(zhì)和釋放熱量，而鄰近的晶核B和C在生長(zhǎng)過(guò)程有著同樣的現(xiàn)象，分別造成了A區(qū)域邊界溶質(zhì)和熱量釋放的疊加.微區(qū)溶質(zhì)濃度的提高降低了生長(zhǎng)界面前沿的實(shí)際液相線溫度，而釋放熱量的集中則導(dǎo)致了液固相界面前沿溫度的升高，二者共同作用促使非枝晶晶粒的形成，使初生α相紿終保持球形生長(zhǎng)方式.

圖6為6061合金在澆注溫度720℃、鑄造速度150 mm/min、冷卻水流量0.05 m3/min的工藝條件下進(jìn)行近液相線半連續(xù)鑄造的微觀組織演變過(guò)程模擬圖.由于澆注溫度高、形核數(shù)目少且分布不均勻，導(dǎo)致粗大的枝晶組織形成.圖6中A、B區(qū)域的晶核間距比其它區(qū)域的晶核間距更大，A、B區(qū)域的溶質(zhì)濃度比別的區(qū)域低，局部過(guò)冷度較高，導(dǎo)致液固界面前沿向區(qū)域方向生長(zhǎng)的速度較快，最終形成具有粗大枝晶特征的初生α相.

圖5 6061合金近液相線半連續(xù)鑄造微觀組織演變過(guò)程模擬

圖6 6061合金常規(guī)鑄造微觀組織演變過(guò)程模擬

綜上所述，在近液相線半連續(xù)鑄造過(guò)程能達(dá)到的可控制工藝參數(shù)范圍內(nèi)，可以獲得合金熔體凝固所需的最優(yōu)溫度場(chǎng)，形核速率和長(zhǎng)大速率可達(dá)到相對(duì)合理的匹配，從而獲得均勻細(xì)小的非枝晶晶粒.

4 結(jié)論

1)金屬熔體凝固過(guò)程中的形核數(shù)目及長(zhǎng)大速率共同決定著初生α相的尺寸和形態(tài)，控制近液相線半連續(xù)鑄造工藝參數(shù)可使二者達(dá)到合理匹配，此為獲得優(yōu)質(zhì)半固態(tài)漿料的前提條件.

2)用半連續(xù)鑄造方法制備6061合金時(shí)，在澆注溫度為657℃、鑄造速度為150 mm/min、冷卻水流量為0.05 m3/min的條件下可以獲得細(xì)小、分布均勻的近球形初生α相.

3)在大量晶核存在的條件下，相鄰晶粒周?chē)鷿舛葓?chǎng)的疊加會(huì)提高固/液界面的穩(wěn)定性和晶粒在各個(gè)方向上生長(zhǎng)的均勻性，促進(jìn)近球形初生α相的形成.

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Formation mechanism of sphere-like α phase in near-liquidus casting

WANG Na1，ZHOU Zhi-min1，LU Gui-min2
(1.School of Sciences，Northeastern University，Shenyang 110004，China，E-mail:zmzhou@imp.neu.edu.cn;2.School of Resources and Environmental Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China)

This paper studied the influence of pouring temperature，casting velocity and cooling intensity on the microstructural evolution of 6061 alloy during near-liquidus semicontinuous casting(LSC)to clarify the formation mechanism of the semisolid microstructure.It was analyzed the formation of spherical primary α phase in melt according to the results of the metallographical measurement and the multi-scale computer simulation.It is experimentally found that the 6061 semisolid alloy with fine spherical primary α phase can be obtained by LSC under the conditions of the pouring temperature 657℃ the casting velocity 150 mm/min and the cooling water flux 0.05 m3/min.It is shown from the theoretical analysis and the multi-scale computer simulation that the overlapping solute fields of the adjacent growing grains will improve the stability of the moving solid-liquid interface and the uniformity of the grain growth in all directions，which facilitates the formation of globular primary α phase.The morphology of the primary α phase is determined by the rate of nucleation and that of grain growth in the melt，which can by achieved by adjusting the casting parameters.LSC can provide ideal technical parameters for an appropriate combination of the nucleation and the grain growth to result in the fine semisolid microstructure.

semisolid metal processing;near-liquidus semicontinuous casting;primary α phase;multi-scale simulation

TG146;TG113 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005－0299(2011)02－0139－05

2009－12－14.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50674032，51034002).

王 娜(1979－)，女，博士研究生;

周志敏(1964－)，男，博士，教授.

(編輯 程利冬)