南昌航空龙文元教授：脉冲磁场-倾斜管复合制备6063铝合金半固态组织

半固态成形技术是一种介于固态成形和液态成形之间的新型成形技术，最初由Flemings教授的研究团队发现并提出。半固态是指金属材料在凝固过程中，通过施加特定的处理手段（如机械搅拌、振动，加入晶粒细化剂，改变合金熔体的温度场分布等），改变初生相的形核与晶粒的生长方式，最终获得一种在液态金属中均匀悬浮着大量颗粒状初生固相的固液混合态金属浆料。

常见的半固态制浆方法有机械搅拌法、电磁搅拌法、剪切低温浇注法（LSPSF）、超声波振动法、倾斜板浇注法、近液相线浇注法等，其机理大致分为两大类：一是在合金熔体的凝固过程中，通过外力将树枝晶破碎，使其生长成为更加圆整的球状晶；另一类是控制合金熔体的形核率，使其在熔体内部自发形成大量形核质点，从而获得球状晶组织。倾斜板浇注法工艺简单，制浆效率高，但由该工艺制备的半固态浆料晶粒尺寸较大且球状晶数量较少，而施加脉冲磁场可以在合金熔体凝固过程中起到促进形核、细化晶粒的作用。

鉴于此，南昌航空龙文元教授在2023年第43卷第03期《特种铸造及有色合金》期刊上发表了“脉冲磁场-倾斜管复合工艺制备6063铝合金半固态组织”的文章。文章采用脉冲磁场-倾斜管复合工艺制备了6063半固态铝合金。研究了不同浇注温度和脉冲电压对半固态合金组织及力学性能的影响。结果表明，在未施加脉冲电压时，随着温度的升高，半固态合金熔体球化效果不明显；当通入脉冲电压后，初生相晶粒得到显著细化和圆整。其中，当脉冲电压为200 V，浇注温度为670 ℃时，半固态组织最佳。半固态铝合金的拉伸强度与伸长率随着脉冲电压的升高而增大。力学性能的提高主要是由于脉冲磁场改善了半固态铝合金的凝固组织形貌和晶粒尺寸。

【试验方案】

试验材料为6063铝合金，属于Al-Mg-Si系高塑性合金。经DSC试验分析，该合金的固、液相线温度分别为615、655 ℃。半固态温度区间较宽，适合于半固态成形试验。其化学成分见表1。

采用自行设计的脉冲磁场倾斜管半固态制浆装置进行试验，装置示意图见图1。该装置主要由脉冲磁场发生装置和倾斜圆管两部分组成。脉冲磁场发生装置利用电磁感应技术，脉冲电压最高可达300 V。倾斜圆管部分由铜制线圈、不锈钢圆管以及石棉保温套组成。铜制线圈用纱布包裹并逐层缠绕在外部包有石棉保温套的不锈钢圆管外侧，层数为 3，匝数为120，长度为100 mm。不锈钢圆管内径为60 mm，长度为300 mm。该装置工作时，先将倾斜圆管设定为固定的角度，然后连接电源，通过调压器对脉冲电压进行调控，从而对倾斜圆管内部产生的脉冲磁场强度进行控制。根据毕奥·萨伐尔定律计算出不同脉冲电压下磁场中的磁感应强度，见表2。

6063铝合金在SG2-5-12坩埚式电阻炉内熔炼。采用石墨坩埚，铸型尺寸为Ø30 mm×60 mm。首先将坩埚加热至400 ℃，装入经预热的6063铝锭，用电阻炉将6063铝合金加热至750 ℃熔化，期间轻微搅动铝液以加速熔解。待炉料全部熔化后，再降至720 ℃左右加入精炼剂C2Cl6进行除气，并扒去液面熔渣。清理结束后，将铝液降到670 ℃（浇注温度）后静置约10 min，然后将倾斜圆管的倾斜角度设定为30°，再将此温度下的铝液通过倾斜圆管浇注到自制的半固态制浆装置中，分别取4组不同的脉冲电压（0、100、150、200 V）。将浇注温度分别设定为665 ℃和660 ℃，重复上述试验。将所得试样处理后，在光学显微镜下观察其金相组织，并使用Image-Pro Plus软件进行定量金相分析，计算初生α-Al相的平均等积圆直径D和平均形状因子F。另外对所制备的半固态试进行了力学性能测试和断口分析。

图1 脉冲磁场-倾斜管半固态制浆装置示意图

1. 交流电源　2. 脉冲电压调压器　3. 倾斜管　4. 浇杯　5. 金属液　6. 线圈　7. 模具

【图文结果】

图2为不同浇注温度和不同脉冲电压下6063铝合金的半固态组织形貌，其中浅色区域为初生α-Al相，深色区域为共晶组织。图3为不同浇注温度下脉冲电压与晶粒平均等积圆直径和平均形状因子的关系。由图2a~图2c可知，当未通入脉冲电压时，3组不同浇注温度下的合金组织几乎全部为树枝晶，仅有少量的蔷薇状组织和等轴晶存在。当浇注温度为660 ℃时，半固态组织中的初生α-Al相呈粗大的条棒状或树枝状，且晶粒尺寸大小分布不均匀，此时晶粒的平均等积圆直径和平均形状因子分别为185 μm和0.21。当浇注温度为665 ℃时，少量的初生α-Al相从树枝状转变为蔷薇状，等轴晶的数量开始增多，但晶粒形貌依旧以铸态枝晶为主，且枝晶臂较为粗大，晶粒的圆整度也较差，平均等积圆直径为179 μm，平均形状因子为0.27，球状晶的数量较为稀少。随着浇注温度升高到670 ℃，大量的初生α-Al相呈长条状或不规则多边形，半固态合金组织中开始出现了少量的颗粒状晶粒，此时初生α-Al相的平均等积圆直径与平均形状因子分别是174 μm和0.34。由图2d~图2m可知，当通入脉冲电压，即存在脉冲磁场的作用时，半固态合金组织随着浇注温度的升高而发生明显变化，铸态枝晶基本消失，晶粒形貌主要表现为蔷薇状和颗粒状，大量的球状晶分布在合金熔体内。其中，当脉冲电压为200 V，浇注温度为670 ℃时，晶粒的球化效果最佳，绝大部分的初生α-Al相呈近球形的颗粒状，基本无明显铸态枝晶，此时平均等积圆直径与平均形状因子分别为113 μm和0.79。

可以看出，当通入脉冲电压时，在较高的浇注温度下，获得的半固态合金组织较好。这是由于在较高的浇注温度下，合金熔体的热量更大，凝固速度也更缓慢，熔体孕育细化晶粒的时间更长。随着合金熔体的过热度升高，在浇注时的激冷作用就愈加强烈，晶胚形核过程中的体积自由能的降低量无法补偿表面自由能的增长量，从而导致树枝晶的生长受到抑制。此外，温度较高的熔体流经倾斜圆管时，由于外层合金熔体直接与倾斜圆管内壁相接触，因此受到了圆管内壁的冲刷，增大了固液界面的过冷度，使得熔体外部产生了大量的形核质点，并随着脉冲磁场的搅拌和振动作用，这些形核质点被卷入到合金熔体的内部，均衡了熔体内部的温度场和溶质浓度，形核率升高，因此产生了更多的颗粒状游离晶粒。

(a) 660℃，0V

(d) 660℃，100V

(g) 660℃，150 V

(j) 660℃，200 V

(b) 665℃，0V

(e) 665℃，100V

(h) 665℃，150V

(k) 665℃，200V

(c) 670℃，0V

(f) 670℃，100V

(i) 670℃，150V

(m) 670℃，200V

图2 不同浇注温度和脉冲电压作用下的组织形貌

未经过脉冲磁场处理的半固态合金组织具有明显的枝晶特征，除了表层激冷区的晶粒较为细小外，其余几乎全为粗大的枝晶，且各晶粒大小不一，粒径分布亦不均匀；由图2d~图2f可以看出，当施加100 V的脉冲电压时，半固态组织中的初生α-Al相主要以蔷薇状为主，铸态枝晶基本消失，晶界轮廓较为明显，并且随着浇注温度的升高，组织中出现了少量的球状晶粒。当浇注温度为670 ℃时，晶粒的平均等积圆直径和平均形状因子分别为154 μm和0.62。当脉冲电压升高为200 V时，合金组织中的初生相基本呈现为近球状，晶粒得到细化和圆整（见图2i~图2m）。由图3可知，随着脉冲电压升高，晶粒的平均等积圆直径随之降低，平均形状因子逐渐增大。其中，当脉冲电压为200 V，浇注温度为670 ℃时，半固态组织效果最佳。

由于在合金熔体凝固过程中施加脉冲磁场，可以对合金熔体起到搅拌和振动的作用，使得树枝晶在长大的过程中，枝晶臂受到剪切，导致枝晶的破碎，增加了熔体内晶核的数量，这些晶核经过熟化，最终成长为非枝晶组织。同时，随着脉冲电压的增大，脉冲磁场的磁压强变化剧烈，使得合金熔体内部温度和溶质浓度发生变化，加剧了树枝晶的枝晶臂熔断，这些分布于合金熔体内部的游离枝晶臂会继续长大，进而导致晶核数量的增加，极大的提高了形核率。另一方面，由于脉冲磁场可以对合金熔体产生强制对流，使得熔体外部首先形成的晶核被涡流卷入到熔体中心部分，形成了大量的形核质点，使得其在凝固结晶时的形核率升高，晶粒的球化效果更好。所以，脉冲电压越高，合金半固态组织中近球形的初生α-Al相越多，晶粒也越细小和圆整。

（a）形状因子 （b）等积圆直径

图3 不同浇注温度下脉冲电压与晶粒尺寸的关系

图4为6063铝合金试样在浇注温度670 ℃下，不同脉冲电压与力学性能的变化曲线。可以看出，当未通入脉冲电压时，试样的抗拉强度为174 MPa，伸长率为2.1%；当脉冲电压为200 V时，试样的抗拉强度为220 MPa，伸长率为4.4%。所有经过脉冲磁场处理后的试样，抗拉强度和伸长率都相较于未通入脉冲电压时，有了明显的提升。这是由于，在较高的脉冲电压下，合金熔体受到脉冲磁场的搅拌和振动作用更为强烈，因此初生相的晶粒得到更好的细化和圆整，晶界面积增大，晶界越曲折。当受到外力发生塑性变形时，更大面积的晶界不仅可以阻碍位错的移动，还可以使同样的变形量分摊到更多的晶粒之中进行，使得晶粒内部和晶界表面应变度的差值降低，避免了应力集中效应，不利于裂纹的扩展，因此材料在断裂前能够承受更大的应力，所以试样的抗拉强度随之提高。图5为浇注温度670 ℃时，不同脉冲电压下拉伸试样的断口形貌。可以看出，6063铝合金半固态试样的塑形变形量很小，基本没有出现缩颈现象，但断口面上出现了一些准解理面，同时存在着大量不规则的孔洞和少量微小的韧窝，球状晶的外轮廓较为明显。因此，断口为脆性断裂与延性断裂的混合断口。裂纹主要是从基体中的夹杂物产生，随着应力的作用，沿着晶界开始延伸扩散。

图4 不同脉冲电压下铝合金试样力学性能的变化

(a)0V

(c)150V

(b)100V

(d)200V

图5 不同脉冲电压下拉伸试样的断口形貌

【文献引用】

李卫,龙文元.脉冲磁场-倾斜管复合工艺制备6063铝合金半固态组织[J].特种铸造及有色合金,2023,43(3):389-393.

LIW,LONG W Y,et al.Microstructure of 6063 semi-solid aluminum alloy fabricated by pulsed magnetic field-inclined pipe compound process[J].Special Casting& Nonferrous Alloys,2023,43(3):389-393.