脈沖磁場對Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金凝固組織的影響
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劉峰 周全 黃曼青 黃金角 王俊
（南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院）
摘要 研究了脈沖磁場作用下長周期結(jié)構(gòu)增強(qiáng)Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金凝固組織的變化，研究了不同的脈沖電壓、脈沖頻率、澆注溫度和模具預(yù)熱溫度對合金凝固組織的影響。結(jié)果表明，在脈沖磁場作用下，合金的凝固組織顯著細(xì)化，其初生aMg相轉(zhuǎn)變成細(xì)小、圓整的近球狀或薔薇狀晶體，第二相分布變得均勻。當(dāng)脈沖電壓在0～240 V范圍內(nèi)或脈沖頻率在1～10 Hz范圍內(nèi)，隨著脈沖電壓或脈沖頻率的增加，合金的凝固組織逐漸細(xì)化；當(dāng)澆注溫度在660～750℃范圍內(nèi)或鑄型預(yù)熱溫度在200～600 uc范圍內(nèi)時，隨著澆注溫度的升高或模具預(yù)熱溫度的降低，合金的凝固組織逐漸細(xì)化。
關(guān)鍵詞 脈沖磁場；Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金；凝固組織
鎂合金具有密度低、質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、可回收利用和環(huán)保等特點(diǎn)，在汽車、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。長周期結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的鎂合金表現(xiàn)出優(yōu)異的常溫和高溫性能，優(yōu)于傳統(tǒng)鎂合金。鑄態(tài)長周期結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的Mg97Y2Cu,合金由于其凝固組織比較粗大，導(dǎo)致其力學(xué)性能較差，因而限制了該合金的進(jìn)一步應(yīng)用。
近年來的研究表明，利用脈沖磁場可以控制凝固過程，有效細(xì)化鎂合金、鋁合金、不銹鋼、銅合金及高溫合金等金屬或合金的凝固組織。脈沖磁場對晶粒粗大合金凝固組織影響的研究比較多，而對細(xì)小晶粒合金凝固組織影響的研究報道很少。為此，本課題研究了脈沖磁場對Zr、Sr細(xì)化后長周期結(jié)構(gòu)增強(qiáng)Mg97 Y2 Cui合金凝固組織的影響。
1 試驗(yàn)材料和方法
試驗(yàn)材料為Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金，合金的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）：Y為6.84%，Cu為2.46%，Zr為1%，Sr為0.05%，余量為Mg，其中Y、Cu、Zr和Sr分別以Mg-30Y、Mg-30Cu、Mg-302r和- Mg-25 Sr中間合金的形式加入。
采用自行研制的脈沖磁場凝固裝置進(jìn)行試驗(yàn)，裝置示意圖見圖1。該裝置包括脈沖電源、不銹鋼鑄型、螺線管工作線圈及耐火磚底座等。本裝置采用低壓充放電技術(shù)，脈沖電壓最高為450 V，脈沖頻率最高為20 Hz。
采用低碳鋼坩堝，將配制好的純Mg和Mg-30Y、Mg-30Cu、Mg-302r和Mg-25Sr中間合金放入99. 5%的CO。+0.5%的SF�；旌蠚怏w保護(hù)下的坩堝電阻爐中熔化。在740℃精煉處理后，保溫10 min，然后澆注到置于磁場線圈中的不銹鋼鑄型內(nèi)。澆注完立即啟動脈沖磁場，在不同的磁場參數(shù)和冷卻條件下凝固，具體試驗(yàn)參數(shù)見表2。
在鑄錠1/2高度的橫截面中心部位截取試樣以制備金相試樣，經(jīng)研磨、拋光后，采用體積分?jǐn)?shù)為0.5%的硝酸酒精溶液腐蝕。利用型號為X-J P-6A的光學(xué)顯微鏡觀察合金金相形貌，掃描電鏡觀察合金的第二相形貌；采用截線法測量合金的晶粒尺寸，Image Pro圖像分析處理軟件計算合金中長周期結(jié)構(gòu)相的體積分?jǐn)?shù)。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 脈沖電壓對合金凝固組織和晶粒尺寸的影響
圖2和圖3分別為不同脈沖電壓下Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金的初生相形貌和晶粒大小。可以看出，無磁場處理時，合金的初生晶粒為比較粗大的等軸晶；當(dāng)脈沖電壓為80 V時，初生晶粒有所細(xì)化，但效果不明顯；當(dāng)脈沖電壓為160 V時，初生晶粒有較明顯細(xì)化，且為較圓整的等軸晶；當(dāng)脈沖電壓為240 V時，初生相顯著細(xì)化，為細(xì)小薔薇狀晶體�？傊�，在0～240 V范圍內(nèi)，隨著脈沖磁場電壓的增加，合金的初生晶粒逐漸細(xì)化，晶粒尺寸逐漸減小。
經(jīng)過微量Zr、Sr處理的Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金初生晶粒不是特別粗大，枝晶也不是很發(fā)達(dá)，脈沖磁場很難將一次枝晶或二次枝晶折斷或熔斷，因此脈沖磁場對合金晶體生長過程的影響很小，而主要是通過影響合金的形核率來細(xì)化其凝固組織。脈沖磁場作用對合金熔體具有電磁振動和電磁攪拌的雙重效果和作用。電磁振動和電磁攪拌一方面增加了金屬熔體在凝固過程中的過冷度，從而導(dǎo)致金屬熔體凝固結(jié)晶時形核率的增加；另一方面在熔體中造成了劇烈的強(qiáng)迫對流，使型壁處更多的晶粒產(chǎn)生游離，然后在電磁力的作用下，游離的晶核進(jìn)入熔體心部成為新的形核質(zhì)點(diǎn)，顯著增加了合金的形核率。所以，在0～240 V范圍內(nèi)，隨著脈沖電壓的增加，脈沖磁場在熔體內(nèi)產(chǎn)生的電磁振動和電磁攪拌效果加強(qiáng)，形核率逐漸提高，合金的初生晶粒逐漸細(xì)化。
2.2脈沖頻率對合金凝固組織和晶粒尺寸的影響
圖4和圖5分別為不同脈沖磁場頻率作用下Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金的初生相形貌和晶粒尺寸大小。可以看出，在1～10 Hz范圍內(nèi)，隨著脈沖頻率的增大，合金凝固組織逐漸細(xì)化，晶粒尺寸逐漸減�。划�(dāng)脈沖頻率達(dá)到10 Hz時，合金凝固組織細(xì)化效果最好，初生相全部為細(xì)小的近球狀晶體或薔薇狀晶體，且形貌比較圓整。
在1～10 Hz范圍內(nèi)，隨著脈沖頻率的增大，單位時間內(nèi)脈沖磁場對熔體的作用次數(shù)增多，一方面可以加快凝固過程中合金熔體內(nèi)部熱量的擴(kuò)散，加快了冷卻速率，合金形核率增加；另一方面電磁振蕩產(chǎn)生更多的焦耳熱，有效降低了熔體表面與熔體內(nèi)部的溫度梯度，并抑制內(nèi)部晶核的長大。因此，隨著脈沖頻率增大，Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金的初生晶粒逐漸細(xì)化，并轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小、圓整的近球狀或薔薇狀晶體。由于脈沖磁場主要影響合金的形核率。因此，通過試驗(yàn)和分析可知脈沖頻率是影響Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金凝固組織的主要因素。
2.3澆注溫度對合金凝固組織和晶粒尺寸的影響
圖6和圖7為澆注溫度對Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金凝固組織和晶粒尺寸的影響�？梢钥闯觯�(dāng)澆注溫度為660℃時，初生a-Mg晶粒有少數(shù)呈現(xiàn)薔薇狀，其他仍為較粗大的等軸晶，見圖6a；當(dāng)澆注溫度為690℃時，初生a-Mg晶粒有所細(xì)化，但效果不明顯，見圖6b；當(dāng)澆注溫度為720℃時，大部分的初生a-Mg晶粒轉(zhuǎn)變成等軸狀，且晶粒得到明顯細(xì)化，見圖6c；當(dāng)澆注溫度為750℃時，初生a-Mg晶粒進(jìn)一步細(xì)化，絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榻驙罹w，見圖6d�？傊�660～750c范圍內(nèi)，隨著澆注溫度的升高，合金的初生晶粒逐漸細(xì)化，其晶粒尺寸逐漸減小。
無脈沖磁場作用下，澆注溫度升高時，熔體過熱度增大，合金冷卻速度減慢，晶粒有足夠的長大時間，合金的凝固組織會變得粗大；然而，在脈沖磁場作用下，隨著澆注溫度升高，一方面合金的冷卻速度逐漸降低，脈沖磁場對合金熔體的作用時間延長；另一方面Zr的解
度提高，在凝固時更多的a-Zr成為a-Mg的結(jié)晶形核核心，能夠充分發(fā)揮脈沖磁場和Zr的晶粒細(xì)化作用，且脈沖磁場和Zr所造成的晶粒細(xì)化作用遠(yuǎn)大于澆注溫度提高引起的晶粒粗化作用，因此，合金的初生晶粒逐漸細(xì)化。由于模具預(yù)熱溫度較高，所以澆注溫度對合金凝固組織影響較小。
2.4鑄型預(yù)熱溫度對合金凝固組織和晶粒尺寸的影響
圖8和圖9為鑄型預(yù)熱溫度對Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金凝固組織和晶粒尺寸的影響。可以看出，在200～600℃范圍內(nèi)，隨著鑄型預(yù)熱溫度的升高，初生晶粒不斷粗化，晶粒尺寸逐漸增大；當(dāng)鑄型預(yù)熱溫度為200℃時，合金凝固組織最為細(xì)小，全部是細(xì)小、圓整的近球狀晶體。
鑄型預(yù)熱溫度決定合金熔體的冷卻速度，從而影響合金的形核率。在200～600℃范圍內(nèi)，隨著預(yù)熱溫度的降低，合金的冷卻速度加快，熔體過冷度增大，形核率增大。當(dāng)預(yù)熱溫度較低時，在快速冷卻和脈沖磁場的雙重作用下，合金凝固組織得到了顯著的細(xì)化，其中脈沖磁場本身所起到的組織細(xì)化作用較��；當(dāng)預(yù)熱溫度較高時，雖然有利于發(fā)揮脈沖磁場的作用，但晶體生長時間也延長了，因此合金的凝固組織仍有所粗化。
2.5 脈沖磁場對合金第二相形貌的影響
圖10為13號和11號試樣經(jīng)脈沖磁場處理前后合金典型的第二相形貌（未經(jīng)磁場處理為13號，經(jīng)磁場處理為11號）。圖10中黑色襯度相為a-Mg基體相，灰白色襯度相為第二相。從圖10a和圖10b可以看出，經(jīng)脈沖磁場處理后，第二相體積分?jǐn)?shù)顯著提高，由未經(jīng)過磁場處理時的5. 3%提高到磁場處理后的8.2%，且第二相分布變得均勻；從圖10c和圖10d可以看出，脈沖磁場處理并未影響第二相的結(jié)構(gòu)形態(tài)，磁場處理前后第二相均為條紋狀結(jié)構(gòu)。合金的第二相主要是圍繞于a-Mg基體的晶界上形成，合金晶粒得到了細(xì)化，細(xì)小、均勻的近球狀或薔薇狀初生a-Mg晶體有利于改變第二相的形態(tài)和分布，使得晶界上的第二相變得更加均勻。
3 結(jié)論
(1)脈沖磁場可以顯著細(xì)化長周期結(jié)構(gòu)增強(qiáng)Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金，其初生a-Mg相轉(zhuǎn)變成細(xì)小、圓整的近球狀或薔薇狀晶體，第二相分布變得均勻。
(2)當(dāng)脈沖電壓在0～240 V范圍內(nèi)或脈沖頻率在1～10 H。范圍內(nèi)，隨著脈沖電壓或脈沖頻率的增加，合金的初生晶粒逐漸細(xì)化。
(3)當(dāng)澆注溫度或鑄型預(yù)熱溫度分別在660～750℃和200～600℃的范圍內(nèi)，隨著澆注溫度的升高或鑄型預(yù)熱溫度的降低，合金的初生晶粒逐漸細(xì)化。
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