低頻電磁鑄造鋁合金錠坯中的合金元素偏析研究.pdf

1、鋁合金DC鑄造鑄錠中的合金元素偏析，包括微觀和宏觀偏析，是一種組織缺陷，也是造成鑄錠乃至產(chǎn)品組織性能不均的重要原因。本文利用LFEC（低頻電磁鑄造），在DC鑄造時(shí)施加低頻磁場(chǎng)，來改善鑄錠合金元素的微觀和宏觀偏析，為鋁合金鑄錠的偏析抑制提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。
　　本文以Φ200mm的Al-4.5％Cu合金鑄錠和Φ200mm的7075合金鑄錠為研究對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)方法比較了DC和LFEC鑄造工藝的鑄錠晶粒尺寸，二次枝晶臂間距和晶界共晶

2、相含量，利用電子探針微區(qū)分析(EPMA)技術(shù)測(cè)定了合金元素的分布，繪制了合金元素的分布曲線，并計(jì)算了合金元素的有效分配系數(shù)。結(jié)合微觀偏析測(cè)量結(jié)果建立了數(shù)學(xué)模型，模擬了鑄造過程中的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)，分析了低頻電磁鑄造電磁參數(shù)對(duì)鑄錠宏觀偏析的改善機(jī)理。
　　本文首先研究了兩種合金的微觀偏析。通過比較DC和LFEC的鑄錠凝固組織，發(fā)現(xiàn)低頻電磁場(chǎng)有效地細(xì)化了晶粒，同時(shí)增加了二次枝晶臂間距。其基本原因是低頻電磁場(chǎng)使凝固過程中晶粒形核增加

3、，攪動(dòng)使固-液界面前沿的濃度邊界層變薄，減弱了枝晶尖端的成分過冷，導(dǎo)致生長(zhǎng)速度較快的生長(zhǎng)方向與生長(zhǎng)速度較慢的生長(zhǎng)方向的生長(zhǎng)速度差變小，使得枝晶臂變粗。
　　測(cè)量凝固組織中的非平衡共晶組織的面積分?jǐn)?shù)和尺寸發(fā)現(xiàn)，施加低頻電磁場(chǎng)加快了凝固過程中的冷卻速度，使得合金元素在α-Al中固溶量增加，非平衡共晶量減少，非平衡共晶組織變得細(xì)小。增大磁場(chǎng)強(qiáng)度效果更顯著。
　　采用電子探針測(cè)量了Al-4.5％Cu合金中Cu的分布，利用F-G排序法

4、將結(jié)果繪制分布曲線，并計(jì)算出Cu的有效分配系數(shù)，通過比較得出:與DC鑄造相比，由于在LFEC過程中凝固速度高，使Cu含量在最初過渡區(qū)升高，在最終過渡區(qū)降低，減少了合金元素在枝晶臂中心和枝晶臂邊緣的含量差，使其在枝晶內(nèi)部分布均勻，即LFEC改善了Cu的微觀偏析。
　　利用F-G排序法繪制7075合金中合金元素的分布曲線，并計(jì)算溶質(zhì)有效分配系數(shù)。由于合金元素之間的交互作用，Zn、Mg和Cu的有效分配系數(shù)以不同的方式向單位1增大。觀察發(fā)

5、現(xiàn)，與DC鑄造相比，低頻電磁鑄造使得晶內(nèi)合金元素的含量升高，有效分配系數(shù)變大，減輕了微觀偏析。
　　在微觀偏析計(jì)算了合金元素有效分配系數(shù)的基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)描述半連續(xù)鑄造的數(shù)學(xué)模型。該數(shù)學(xué)模型能夠比較準(zhǔn)確的模擬DC鑄造和LFEC過程的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)。模擬結(jié)果表明:電磁場(chǎng)使熔體發(fā)生強(qiáng)迫對(duì)流，溫度場(chǎng)變得均勻，同時(shí)鑄造過程中液穴變淺，不利于合金元素貧乏的“浮游晶”沿著凝固前沿運(yùn)動(dòng)，并阻礙了“浮游晶”在鑄錠中心處的沉降，從而減輕了鑄

6、錠中心的負(fù)偏析;另一方面，在近表面位置凝固收縮使得富含合金元素的液相和枝晶網(wǎng)絡(luò)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)加劇，并導(dǎo)致近表面的負(fù)偏析加劇。
　　最后，通過分析得出，合金凝固時(shí)，微觀尺度的元素分布與和宏觀尺度的元素分布相互影響。微觀偏析的減輕有助于宏觀偏析的改善，同時(shí)宏觀流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的改善也會(huì)對(duì)微觀偏析產(chǎn)生重要影響。
　　本文的研究結(jié)果表明低頻電磁鑄造能夠明顯改善鋁合金鑄錠的微觀偏析和宏觀偏析，提高鑄錠質(zhì)量，是制備高質(zhì)量鋁錠的一種簡(jiǎn)單、有效