原标题：励磁电流-凝固压力协同对真空差压铸造ZL205A合金晶粒尺寸的影响

摘要：通过测试交变磁场-凝固压力协同场下ZL205A合金晶粒尺寸，研究交变磁场-凝固压力协同场对ZL205A合金晶粒尺寸的影响机理。结果表明，在凝固压力不变情况下，随着励磁电流强度增加，ZL205A合金试样的平均晶粒尺寸先增大后减小；随着凝固压力增大，当励磁电流强度小于10 A时，交变磁场-凝固压力的协同作用将促进合金晶粒生长，平均晶粒尺寸增大；而当励磁电流大于10 A时，交变磁场-凝固压力的协同作用将抑制晶粒长大，平均晶粒尺寸减小。

ZL205A合金因强度高、密度低、易于加工等优点，已被广泛应用于航空、航天及汽车工业领域。但其结晶温度范围较宽，易产生缩松缺陷，凝固组织粗大，严重降低了综合性能。如何改善凝固组织，提升铸件的综合力学性能，成为了研究者关注且亟须解决的问题之一。

真空差压铸造是在真空状态下实现低压充型、高压结晶的一种反重力精密成形工艺。在真空差压铸造工艺下，较高的凝固压力驱使铝合金液通过枝晶间的狭窄通道向补缩区流动，这种驱动力称之为为挤渗流作用，挤渗流作用于枝晶臂使其弯曲甚至断裂而形成二次晶核，形核率提高，细化晶粒尺寸。而电磁铸造技术由于操作方便、不改变合金成分、成本低等特点已被大量应用于铝合金的成形工艺中。研究表明，在50 Hz的交变磁场作用于铝合金熔体中，交变磁场与感应电流的交互作用所产生的电磁力使得熔体内部产生剧烈的强制对流和反复振荡，迫使金属液快速流动，从而显著改善合金的微观组织。通过研究交替变向电磁场强度对ZL205A合金微观组织的影响，发现磁场强度是改善铝合金凝固组织的关键因素之一，合金平均晶粒尺寸随着磁场强度的增加而减小。

从理论上讲，凝固压力产生的挤渗流作用与交变磁场引发的熔体强制对流相互融合促进，势必将会对ZL205A合金微观组织产生较大的影响。因此，本课题采用真空差压铸造设备并引入交变磁场发射器，探究励磁电流强度与凝固压力对ZL205A合金晶粒尺寸的影响规律及机理，为实现生产综合力学性能优良的铝合金铸件提供参考。

1、试验材料与方法

试验采用ZL205A合金，其成分见表1。采用自主研发的VCPC-I型真空差压铸造设备，并在交变磁场下进行试验，见图1。真空差压设备抽真空后开启交变磁场发射器，通过充型、升压、保压阶段直至卸压阶段关闭交变磁场发生器。试样为Φ30 mm×150 mm的圆棒，采用酚醛树脂覆膜砂造型，铸型尺寸为125 mm×125 mm×250 mm，铸型预热温度为120 ℃。试验采用真空度为20 kPa、保压时间为120 s、压差为30 kPa、浇注温度为720 ℃、励磁电流为0、5、10、15A，不同凝固压力为250、300、350kPa。

表1：ZL205A合金的化学成分 wb/%

1.上罐 2.交变磁场发射器 3.铸件 4.隔板 5.下罐 6.升液管 7.熔炼金属液 8.调节阀 9.真空泵
10.下储气罐 11.上储气罐 12.开关阀 13.进气管 14.酚醛树脂覆膜砂铸型

图1:协同铸造设备图

交变磁场-真空差压协同铸造的合金沿底部、中部、上部各取一个试样，编号为1、2、3号，见图2。试样经研磨、抛光后，采用Keller试剂(1 mL的HF+1.5 mL的HCl+2.5 mL的HNO3+95 mL的H2O)将其腐蚀，通过光学显微镜（EMO）观察微观组织并依据GB/T6394-2002测试合金平均晶粒度，利用金相分析软件中的三圆截点法得到不同工艺参数条件下ZL205A合金的平均晶粒尺寸。

图2:铸件取样图

2、试验结果与分析

2.1 励磁电流对真空差压铸造ZL205A合金晶粒尺寸的影响

在交变磁场-真空差压协同作用下，不同励磁电流强度对1、2、3号位置平均晶粒尺寸的变化规律，见图3。

图3:不同励磁电流对相同凝固压力下试样平均晶粒尺寸的影响

图4:试样1号位置在凝固压力为350kPa时不同励磁电流强度下的微观组织

从图3可以看出，在相同凝固压力条件下，随着励磁电流的增加，1、2、3号位置试样平均晶粒尺寸先增大后减小，呈现倒“V”字形的变化规律。图4是试样1号位置在凝固压力为350 kPa、不同励磁电流强度条件下的微观组织。可以看出，当无励磁电流强度时，存在部分细小圆整的等轴晶，试样平均晶粒尺寸为83.84 μm；随着电流强度增加，细小圆整的晶粒明显减少，α-Al相晶粒开始变得粗大，且存在侧向分枝的趋势；当励磁电流强度继续增加到10 A时，α-Al晶粒变得极为粗大，平均晶粒尺寸达到最大值106.22 μm；但当励磁电流强度增大到15 A时，粗大的不规则晶粒明显减少，晶粒逐渐细化并转变成圆整度高的近球状且分布也比较均匀，平均晶粒尺寸为78.25 μm。

金属液在充满型腔时导入交变磁场，熔体内部将产生电磁力，由于“集肤效应”的存在，金属液在凝固过程中受到约束，沿径向的电磁力有旋分量促使熔体边缘金属液呈环形流动而引发了熔体的强制对流，对熔体起到搅拌的作用；此外，电磁力交替变化作用产生振荡，电磁振荡力的存在使熔体内部出现共振效应从而迫使金属液流动。然而，交变磁场的施加过程中熔体将出现焦耳热效应，励磁电流强度与焦耳热的关系式为：

式中，Q为线圈产生的焦耳热；N为线圈匝数；R为线圈半径；t为通电时间；h为线圈总长度；σ为线圈的电导率；I0为线圈中励磁电流强度；ω为交变电流的角频率；μ0为真空中的磁化率。

由式（1）可知，在凝固过程中熔体内部产生的焦耳热随励磁电流强度的提升而增多。因此，当励磁电流强度小于10 A时，交变磁场与感应电流交互作用引发的电磁力较小，熔体强制对流作用减弱无法迫使熔体快速流动，同时熔体内部产生的焦耳热使得熔体整体过冷度降低，凝固时间增加，晶粒充分生长而变得粗大,平均晶粒尺寸增大。当励磁电流强度大于10 A时，电磁力产生的电磁搅拌及电磁振荡效果加强从而加速金属液的流动，电磁力引发熔体的强迫对流作用所形成的切应力将会促使枝晶臂出现扭曲弯折现象。当金属液受迫运动形成的切应力大于晶粒根部强度时，枝晶臂断裂形成二次晶核并分散于熔体中，提高形核率，晶粒细化。与此同时，金属液的快速流动、晶粒间的相互碰撞及金属液对晶粒的强烈冲击作用使得熔体温度场与溶质场处于相对均匀的环境中，有利于熔体的热量迅速消散而削弱了焦耳热效应的影响，成分过冷的现象也得到改善，树枝晶生长条件受到制约，晶粒趋于各向同性而非择优方向生长，晶粒变得越发圆整，分布均匀。

2.2 凝固压力对交变磁场作用下ZL205A合金晶粒尺寸的影响

在交变磁场-真空差压协同作用下，不同凝固压力对相同励磁电流强度条件下1、2、3号位置平均晶粒尺寸变化见图5。

图5:不同凝固压力对相同励磁电流下试样平均晶粒尺寸的影响

图6:试样1号位置在励磁电流强度为15A时不同凝固压力的微观组织

从图5可以发现，未施加交变磁场及励磁电流强度大于10 A时，试样平均晶粒尺寸均随着凝固压力的增大而减小；而当励磁电流强度小于10 A时，随着凝固压力增大，试样平均晶粒尺寸增大。图6是励磁电流强度为15 A，试样1号位置不同凝固压力条件下的微观组织。当凝固压力由250 kPa增加到300 kPa时，α-Al 相晶粒形貌未出现显著变化，圆整球状晶粒较少，大部分呈不规则蔷薇状，但晶粒开始细化，平均晶粒尺寸由86.84 μm减小到83.35 μm；当凝固压力增加到350 kPa时，圆整的近球状晶粒明显增多，晶粒细化效果最佳，平均晶粒尺寸达到78.25 μm。

当励磁电流强度为0，只有单一凝固压力场时，试样平均晶粒尺寸随凝固压力增大而减小，这是因为在强劲的挤渗流作用下，熔体内部发生流动，铸型内壁先行凝固的表层晶区晶粒发生折断及脱落形成二次晶核随金属液的流动而四处游离，提高了形核率。与此同时，凝固压力的增加将大大减缓了晶体的生长速度，铝合金在压力下的晶体生长速度为：

式中，RP为压力下晶体生长速度；RP0为常压下晶体生长速度；  为常压下生长激活能；  为压力下生长激活能；Rg为气体常数； T为温度。由于金属液中的原子在压力作用下其扩散能力减弱，从而促使原子扩散激活能及晶体的生长激活能 增大，由式（2）可知， 的增大导致晶体生长速度RP减小，对晶粒细化起到了一定的改善。然而，当励磁电流强度小于10 A时，试样平均晶粒尺寸随凝固压力增大而增大，这是因为交变磁场与感应电流所产生的电磁力较小而无法触发熔体内部的强制对流，此时熔体内部的焦耳热效应在凝固过程中占主导地位，一方面，随着凝固压力增加，挤渗流作用显著提升，升液管内的更多高温金属液渗透至熔体内部，金属液凝固速度降低，增加了交变磁场对熔体的有效交互时间，产生更多焦耳热，此刻焦耳热效应使得晶粒尤为粗大，晶粒根部强度大大提高，即使是强劲的挤渗流也不易使晶粒折断，从而减少了形核质点；另一方面，焦耳热效应的存在使得金属液整体过冷度降低，原子扩散能力增强，极大地减缓了凝固压力对晶体生长速度的影响，加速了晶体生长速度，α-Al相晶粒变得粗大，平均晶粒尺寸增大。当励磁电流强度大于10 A时，电磁力显著提升从而产生强烈的搅拌效果，熔体内部焦耳热效应及其作用时间被削弱，限制了铝合金晶体的生长速率，晶粒来不及长大而变得细小；此外，电磁力的电磁搅拌及电磁振荡与凝固压力的挤渗流作用共同叠加，随着凝固压力增大，交变磁场与凝固压力产的叠加力愈发强劲，加剧流动金属液对晶体的冲击，不仅令更多的枝晶臂断裂形成二次晶核，甚至金属液在凝固初期形成的枝晶骨架也可能被冲断，导致更多的细小晶粒游离在熔体内部，大大提升形核率，细化晶粒，故平均晶粒尺寸明显减小。

3、结论

（1）交（1）交变磁场-真空差压协同作用下，随着励磁电流强度增加，α-Al相晶粒开始粗大化，在励磁电流强度为10 A时平均晶粒尺寸最大；而当励磁电流强度大于10 A时α-Al相晶粒明显细化，并在励磁电流强度为15 A时，平均晶粒尺寸最小。

（2）随着凝固压力增大，当励磁电流强度小于10 A时，交变磁场-凝固压力的协同作用将促进ZL205A合金晶粒生长，平均晶粒尺寸增大；而励磁电流强度大于10 A时，交变磁场-凝固压力的协同作用将抑制晶粒长大，平均晶粒尺寸减小；在励磁电流强度为15 A和凝固压力为350 kPa的协同场下，ZL205A合金试样平均晶粒尺寸达到最小值，为78.25μm。

作者：郑强强，芦刚 ，严青松，刘慧，罗贵敏
南昌航空大学 轻合金加工科学与技术国防重点科学实验室