行波磁場大幅提高ZL205A合金性能

ZL205A合金具有高強高韌、易加工等特點，是航空航天常用結構材料，但其凝固區間寬，充型能力差，易形成縮松、縮孔及熱裂等缺陷。通過改進鑄造工藝使其在航空工業等結構件上應用，但仍缺乏有效的手段控制其凝固過程。電磁場可以通過超距離作用將熱和力施加在熔體上，可以改變材料的生長取向和熔體的運動方式進而改善材料的組織性能或優化成形工藝過程，被廣泛地應用在材料製備和成形過程中。

一般認為，磁場產生的洛倫茲力是晶粒細化的主要原因，磁場力對凝固前沿作微切割，使成長中的柱狀晶碎斷，達到晶粒細化的作用。根據電磁理論，洛倫茲力與磁感應強度和磁通速率∂B/∂t相關，為了獲取較大的磁感應強度，通常採用增加勵磁電流、勵磁電流頻率的方式，本課題組自行設計了圓筒形行波磁場發生器，並進行了一系列試驗研究，探討勵磁電流強度對ZL205A的組織和性能影響規律。

01

試驗材料及裝置

試驗材料為ZL205A合金，採用試驗裝置見圖1，其中行波磁場發生器為圓筒形，可以產生豎直向上、向下的電磁推力，採用MT-B-030G-4-1040變頻電源控制，最大輸出電流為60 A。另外，磁場發生器採用水冷卻系統以減小電磁場發熱對試驗的影響，澆注過程採用溫度傳感器控溫。將石墨模具置於距離磁場發生器內壁15 mm位置，打開行波磁場設備，設置磁場方向為下行行波磁場，設定勵磁電流分別為0、5、10、20 A。去除ZL205A合金表面氧化皮，置於石墨坩鍋中，在730 ℃進行熔煉，保溫30 min，澆注獲得Φ15 mm×20 mm試棒。

圖1 行波磁場輔助鑄造裝置示意圖

02

行波磁場對凝固組織的影響

圖2為行波磁場作用下ZL205A鑄件的組織，圖3為其EDS分析。可以看出，ZL205A的凝固組織呈近似等軸狀，主要由基體α-Al相、沿晶界呈半連續網狀分布的θ-Al2Cu相以及α-Al和Al2Cu相的網狀共晶組織構成。

圖2 磁場作用下ZL205A合金微觀組織的BSE像

圖3 ZL205A合金的EDS分析

圖4為不同勵磁電流下ZL205A合金的凝固組織。可以看出，未施加磁場條件下，ZL205A平均晶粒尺寸超過140 μm，見圖4a；施加5 A勵磁電流後，晶粒平均尺寸明顯減小，為86.508 μm，見圖4b；施加10 A勵磁電流後，晶粒平均尺寸進一步下降，見圖4c；勵磁電流為20 A時，晶粒尺寸與勵磁電流為10 A時相比變化不明顯，見表2。在未引入磁場的條件下，熔體首先在鑄模內壁上形核，形成的晶粒不穩定，在自然對流條件下，會游離、沉澱，最後傾向於形成等軸晶。

圖4 不同勵磁電流行波磁場作用下ZL205A合金顯微組織

在行波磁場作用下，磁場對熔體產生作用力，一是磁場產生的電磁推力，二是勵磁電流產生的洛倫茲力，還有熱電流和磁場之間的熱電磁力（試驗採用冷卻系統進行水冷，暫不考慮熱電磁力）。在下行行波磁場作用下，行波磁場對金屬熔體產生豎直向下的電磁推力，電磁推力對凝固前沿作微切割，枝晶臂會直接碎斷，破碎的枝晶成為形核中心，促進了結晶形核。同時行波磁場也會產生一個指向熔體內部的洛倫茲力，使得金屬液產生強烈對流，與未施加磁場的對流相比，這種強對流使得鑄型壁上形核的晶粒更容易游離、脫落進入熔體內部作為新的晶核中心，增加了熔體中的形核率，由於電磁推力與洛倫茲力的共同作用，熔體內部對流使得溫度梯度降低，金屬液內部溫度趨於均勻，抑制了晶粒的優先生長取向，成為細小的等軸晶準備了條件[20]。隨著勵磁電流的增加，磁場推動力和洛倫茲力均增加，當勵磁電流增加，勵磁電流在5、10 A時，晶粒細化明顯，而當勵磁電流達到20 A時，晶粒細化程度降低。其可能的原因是，磁場條件下，金屬中的帶電離子在運動過程中受到洛倫茲力作用，運動狀態發生改變，從原有平衡位置移動到其他位置，相當於增加了熔體層流間的摩擦力[21]，隨著勵磁電流增加，磁感應強度越大，洛倫茲力也越大，層流間的摩擦力也越大，表現為熔體的粘度增大，削弱了熔體的對流，在一定程度上抑制了已形核晶粒的游離，使得晶粒細化趨勢減弱。

在行波磁場作用下，隨著勵磁電流增加，共晶相的體積分數增大，見表2。由非平衡凝固時溶質分配規律可知，在穩定生長時，溶質在液體中擴散係數較小時，則溶質原子在界面上越富集，共晶相體積分數越大。但行波磁場的引入，作用在金屬溶液上的電磁力引起強烈對流加速了溶質原子的擴散，共晶相體積分數卻表現為增大，分析原因是隨著磁力電流的增加，電磁力引起的強烈對流加速了金屬液降溫，使得冷卻速率增大，造成了固-液界面處被排出的溶質原子擴散時間的減少，共晶的形核率增加，共晶組織體積分數增加。圖5為有、無行波磁場條件下晶內成分EDS分析位置。發現未施加行波磁場時晶內Cu含量為4.38%，施加行波磁場後晶內Cu含量為1.83%（質量分數），而正常凝固條件下ZL205A合金晶內Cu含量為4.34%[22]，這說明在磁場作用下Cu原子更多向晶界遷移，使得共晶相體積分數增多。

圖5 EDS分析位置

2.2下行行波磁場對θ相的影響

圖6為不同勵磁電流作用下ZL205A試樣的SEM組織。可以看出，合金凝固組織的相組成未發生變化，但不同勵磁電流作用下，θ相形態有明顯不同。在未施加行波磁場的試樣顯微組織中，θ相沿晶界分布，呈粗大的網狀，見圖6a和圖6e。施加行波磁場後，沿晶界分布的θ相變細小，在局部區域熔斷為顆粒狀，見圖6b、圖6c、圖6f和圖6g。

圖6 不同勵磁電流行波磁場作用下θ形貌特徵

當勵磁電流從10 A增加至20 A時，θ相表現出明顯的粗化趨勢，其變化示意圖見圖7。

圖7 不同勵磁電流行波磁場作用下θ相演變示意圖

2.3不同強度勵磁電流行波磁場對鑄件力學性能的影響

通過對鑄件相同位置進行抗拉強度和伸長率隨著勵磁電流強度的加強而增加，勵磁電流從0~5 A，5~10 A的增加過程中，抗拉強度呈直線上升，10 A勵磁電流磁場作用下，抗拉強度是未施加行波磁場時的1.31倍，伸長率是未是施加行波磁場時的2.08倍，但當勵磁電流超過10 A後，勵磁電流強度增加對抗拉強度和伸長率的影響減緩，抗拉強度和伸長率的增長率減小。其主要原因是：①在行波磁場作用下，ZL205A合金的組織受到磁場推力和洛倫茲力的共同作用，晶粒細化，平均晶粒尺寸從140 μm下降到48 μm，根據Hall-Petch細晶強化理論可知，磁場對晶粒的細化作用使合金得到了晶界強化；細晶強化是提高材料強韌性的重要方式；②在行波磁場作用下，θ相由原來的近似網狀組織碎斷成較小的塊狀乃至顆粒狀，並彌散分布在α-Al基體上，有效地阻礙了合金在拉伸過程中的位錯的運動，形成彌散強化效果，於是，鑄件隨著勵磁電流的增加表現為抗拉強度和伸長率增加。但當勵磁電流大於10 A以後，磁場洛倫茲力引起的流動對θ相大小的影響較大，合金熔體粘度增加抑制了θ相的晶粒碎斷，θ相的碎斷趨勢降低，故，抗拉強度和伸長率的增加也呈減緩趨勢。

圖8 行波磁場勵磁電流強度對抗拉強度和伸長率的影響

施加行波磁場後凝固組織的細化，由細晶強化理論可知，晶粒細小可以提高材料的強度，解釋了鑄件抗拉強度的提高。為分析不同勵磁電流對鑄件的力學性能的影響規律，對鑄件斷口形貌進行觀察，拉伸斷口見圖8。未施加行波磁場時斷口處有較多孔洞，施加磁場後拉伸斷口韌窩明顯變多，當勵磁電流在0~10 A之間時，隨著勵磁電流的增加，鑄件斷口的韌窩數量明顯增加，但勵磁電流為10與20 A時韌窩數量相差不大，解釋了行波磁場作用後鑄件的韌性得到提高。

圖8 不同勵磁電流行波磁場作用下拉伸斷口特徵

本文入選《特種鑄造及有色合金》2019年度優秀論文

優秀論文作者簡介：

宋莉莉，1984年生，福州大學在讀博士，寧德職業技術學院機電工程系副教授，主要從事高性能金屬材料、有色合金熔體處理及其強韌化研究，主持或參與完成多項福建省自然科學基金、福建省教育廳等省級科技項目和企業委託開發課題等，曾入選2017年福建省高校傑出青年科研人才培育計劃。