電磁攪拌頻率對(duì)半固態(tài)Al-Cu合金顯微組織的影響

陳莉娟 楊慧敏 陶淑芬

（曲靖師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，云南省高校先進(jìn)功能材料及低維材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 曲靖655011）

半固態(tài)金屬具有組織優(yōu)良、成形力小、流動(dòng)性能好并且易于生產(chǎn)復(fù)合材料與新型合金的特點(diǎn)，被廣泛用于材料加工中。而電磁攪拌法利用電磁感應(yīng)力的作用將析出的樹枝晶破碎成顆粒狀，由于該方法不易卷入氣體、不污染金屬液，金屬漿料純凈，可連續(xù)生產(chǎn)半固態(tài)漿料，產(chǎn)量可以很大，是目前生產(chǎn)鋁合金漿料的主要方法之一。Al-Cu合金是應(yīng)用最早的一類鑄造鋁合金，其特點(diǎn)是具有很高的室溫和高溫機(jī)械性能，主要應(yīng)用于制造承受較大載荷的航空、航天及其它民用機(jī)械構(gòu)件[1-2]。但是常規(guī)工藝鑄造的Al-Cu合金枝晶發(fā)達(dá)，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度、塑性下降，嚴(yán)重限制了該類合金的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)中將半固態(tài)電磁攪拌應(yīng)用到Al-Cu合金中，有助于改變初生α-Al改變的枝晶形貌，達(dá)到球化、細(xì)化初生晶粒的目的[3-6]。目前初生晶粒在攪拌過程中的轉(zhuǎn)變機(jī)制尚未形成統(tǒng)一和確定的理論[7]。本論文主要研究了正反轉(zhuǎn)攪拌下?lián)Q向間隔時(shí)間對(duì)合金顯微組織的影響，從而為半固態(tài)初生晶粒的轉(zhuǎn)變機(jī)制提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用的Al-Cu合金，其成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），Cu為6.67%，Al為93.33%。將Al-Cu合金在中頻感應(yīng)爐內(nèi)加熱到800℃使其熔化，再對(duì)其精煉、除渣，將精煉過的漿料倒入不銹鋼坩堝中，再將不銹鋼坩堝放入到攪拌器內(nèi)。攪拌器通過調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入電流來改變磁場大小。本實(shí)驗(yàn)采用正反轉(zhuǎn)等溫?cái)嚢?。?dāng)合金液溫度降到600℃時(shí)開始等溫?cái)嚢瑁瑪嚢?5min，攪拌電流為15A。攪拌結(jié)束后將整個(gè)坩堝置于水中快速冷卻以保持?jǐn)嚢钑r(shí)的合金形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

正反轉(zhuǎn)攪拌中不同攪拌頻率下合金的顯微組織：

圖1給出了Al-Cu合金正反轉(zhuǎn)攪拌下不同換向間隔時(shí)間試樣的光學(xué)顯微組織照片。從圖可以看出，正反轉(zhuǎn)攪拌下不同換向間隔時(shí)間對(duì)初生α-Al影響較大?？偟膩碚f，隨著換向間隔時(shí)間的提高，初生α-Al枝晶越細(xì)小。如圖1(a)所示，換向間隔時(shí)間為5s時(shí)初生α-Al呈整個(gè)大的薔薇狀枝晶；而換向間隔時(shí)間為10s時(shí)，一些枝晶臂已經(jīng)從枝晶主干上脫落下來成為另一個(gè)枝晶，如圖1(b)所示；當(dāng)換向時(shí)間間隔為15s時(shí)，初生α-Al呈現(xiàn)出更細(xì)小的薔薇狀枝晶，如圖1(c)所示；進(jìn)一步增加間隔時(shí)間至20s，初生α-Al呈現(xiàn)非常細(xì)小的枝晶，因此在圖1(d)的放大倍數(shù)下不能顯示出來，為此我們將它放大500倍觀察，如圖2所示；換向時(shí)間間隔為30s時(shí)，初生α-Al顆粒尺寸變大，并且呈現(xiàn)球團(tuán)狀聚集在一起，如圖1(e)所示。

分析圖1(d)和圖2，此時(shí)的組織與共晶組織相似，但是本實(shí)驗(yàn)用的合金銅含量不到7%，而Al-Cu合金共晶組織銅含量為33.3%，本實(shí)驗(yàn)中的合金銅含量遠(yuǎn)離共晶成分，因此電磁攪拌不太可能將其轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿С煞值慕M織，所以認(rèn)為此時(shí)的組織有兩種可能，其中一種可能是共晶組織，另一種可能就是非常細(xì)小的初生α-Al與共晶組織。我們通過分析軟件對(duì)圖2中初生α-Al的百分比進(jìn)行分析，若是共晶組織，則初生α-Al的百分比大約為39%，而圖2中初生α-Al的百分比為83%,大大超過了共晶組織的百分比，因而可以證實(shí)其組織仍然由初生α-Al與共晶組織構(gòu)成。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，初生α-Al的顯微組織形貌是由攪拌的激烈程度和攪拌的有效時(shí)間綜合作用的結(jié)果。在時(shí)間間隔為5s時(shí)，盡管熔體流動(dòng)很激烈，但此時(shí)由于換向較頻繁，而每次換向都要停止一段時(shí)間，從而導(dǎo)致了在這個(gè)頻率下的有效攪拌時(shí)間很短，因而此時(shí)初生α-Al枝晶仍然發(fā)達(dá)。如果熔體在激烈的紊流中提高有效攪拌時(shí)間，初生α-Al的形貌將發(fā)生很大轉(zhuǎn)變，發(fā)達(dá)的初生α-Al枝晶脫落成幾個(gè)枝晶。隨著時(shí)間間隔的延長，初生α-Al形貌變差，此時(shí)初生α-Al的形貌為發(fā)達(dá)的枝晶，但此時(shí)初生α-Al的晶粒得到很大程度的細(xì)化，如間隔15s和20s時(shí)，初生α-Al呈現(xiàn)很細(xì)小的枝晶。當(dāng)有效攪拌時(shí)間延長到一定程度時(shí)，初生α-Al能脫落成幾個(gè)枝晶。因此為得到合理的工藝參數(shù)，要綜合考慮有效攪拌時(shí)間和熔體流動(dòng)的激烈程度。

3 結(jié)論

初生α-Al的顯微組織形貌是由攪拌的激烈程度和攪拌的有效時(shí)間綜合作用的結(jié)果。若攪拌的有效時(shí)間達(dá)不到一定值時(shí)，即使熔體的流動(dòng)非常激烈，也不能使初生α-Al的枝晶形貌得以改善；同樣僅僅靠提高攪拌的有效時(shí)間而不考慮熔體流動(dòng)的激烈程度也得不到理想的組織。因此一定要合理地選擇工藝參數(shù)，使它們良好的匹配，才能得到理想的組織形貌。

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