作者：张毅
在合金半固态制浆及成形技术中，其核心是制备细小、均匀分布的球晶、近球晶半固态浆料。为此研究者尝试了多种工艺方案，如双螺旋机械搅拌法、倾斜板浇注式工艺、低过热度浇注和弱机械搅拌法、连续流变转换式工艺、热焓平衡式工艺等。试验采用螺旋线槽制浆工艺，在不加外作用力的方式下，通过装置自身结构特征作用于流经的合金熔体来尝试制备合金浆料。
1 试验方法
试验装置主要有浇包、螺旋线槽、坩埚、温度控制装置和温度测试系统。图1为浆料制备试验用螺旋线槽的示意图。螺旋线槽的设计主要由螺旋轨迹线的设计和螺旋线槽断面结构的设计两部分组成；螺旋轨迹线可由其参数方程控制；螺旋线槽断面结构主要通过调整底部半圆的半径来控制；螺旋线槽槽面用耐火材料制成。试验用合金为A356铝合金，其成分（质量分数）为：7. 1%的Si，0.4%的Mg，0.1%的Fe，余量为Al;液相线温度为615℃。在电阻炉内将A356铝合金加热熔化，在720oC保温45 min；将铝液转入预热过的中间浇包中缓慢冷却至预先设定的浇注温度，然后将铝合金液浇入预热至110℃的螺旋线槽上人口流经螺旋线槽，从下出口流出，并收集至坩埚内。在预设的温度下将铝合金浆料取样并快速水淬，制得ф10 mm×10 mm的试样。试样经过粗磨、细磨、抛光和腐蚀后，利用光学显微镜进行显微组织观察和分析。
2 试验结果
2.1 螺旋线槽螺旋角度对浆料组织的影响
图2为螺旋线槽断面结构参数相同，不同螺旋角度的示意图。图3为4种不同的螺旋线槽螺旋角度条件下635℃浇注得到的A356铝合金浆料的组织。线槽螺旋角度为270o时，经过螺旋线槽处理制备的半固态A356铝合金浆料组织不理想，初生α-AI呈粗大的枝状晶组织，螺旋线槽对合金熔体的作用不充分，效果不理想(见图3a)，其平均等效圆直径为230 μm，平均形状因子为0. 34;线槽螺旋角度为360。时，浆料组织中部分初生α-Al呈相对细小的枝状晶组织，见图3b中A位置，更多的初生α-Al呈蔷薇状组织，见图3b中B位置，其平均等效圆直径为164 μm，平均形状因子为0.51;线槽螺旋角度为540o时，螺旋线槽在浆料制备过程中对半固态A356铝合金的浆料组织有明显的作用效果，初生α-Al主要呈球晶、近球晶形态，且晶粒更细小、分布更为均匀，同时还存在少量蔷薇状的初生α-Al晶粒。与线槽螺旋角度为360o时制备的浆料组织中的蔷薇状晶粒对比，晶粒更细小（见图3c），其平均等效圆直径为79 μm，平均形状因子为0.76;线槽螺旋角度为720o时，组织特征与线槽螺旋角度为540o时制备的浆料组织特征相似，初生α-Al主要呈现球晶、近球晶和蔷薇形态，球晶、近球晶平均晶粒尺寸比蔷薇晶略小些，见图3d。另外，除初生α-Al相，组织中出现更多独自弥散分布的更细小的α-Al，由于其数量很大，在计算平均晶粒尺寸和形状因子时并没有统计在内。其平均等效圆直径为82 μm，平均形状因子为0.74o具体的形状因子和晶粒尺寸统计见图4。线槽螺旋角度大于720o时，在此浇注条件下，在线槽内合金液的流动前端会出现凝结堵塞线槽现象，所以没有讨论线槽螺旋角度大于720o时制备浆料的问题。因此，在螺旋线槽断面结构参数相同，浇注条件一定，且线槽内的合金液不出现凝结堵塞线槽的情况下，线槽螺旋角度越大，螺旋线槽越长，制备出的A356铝合金的半固态浆料组织中的初生α-Al越细小．形状越圆整。
2.2浇注温度对浆料组织的影响
为了分析浇注温度对A356铝合金半固态浆料组织的影响，基于上述对螺旋线槽螺旋角度对A356铝合金半固态浆料组织影响的考察，选定螺旋线槽断面结构参数一定，螺旋角度为540o的螺旋线槽，在不同的浇注温度下进行半固态浆料制备试验。图5是浇注温度分别为630、640和650 0C下制备的A356铝合金半固态浆料组织。当浇注温度为650℃时，制备出来的A356铝合金半固态浆料组织不理想，初生α-Al大部分呈发达的枝状晶组织，螺旋线槽对合金熔体基本上不起作用，见图5c，其总体平均等效圆直径为402 μm，平均形状因子为0. 21；当浇注温度为640℃时，经过螺旋线槽处理制备的半固态A356铝合金的浆料组织有一定程度的圆整，初生α-Al主要呈现为有很大比例的规则排列的、相对粗大的枝状晶组织，见图5b中E位置，合金浆料中初生α-Al还有一定比例的是蔷薇状组织，见图5b中F位置，其平均等效圆直径为123μm，平均形状因子为0. 46；当浇注温度为635 0C时，制备的半固态A356铝合金的浆料组织有明显的改善效果，初生α-Al主要呈现为更多的是球晶、近球晶形态，且晶粒更细小、分布更均匀，同时存在少量蔷薇状的初生α-Al晶粒。与640℃的浇注温度制备的浆料组织中的蔷薇状晶粒对比，晶粒更为细小，见图3c，其平均等效圆直径为79μm，平均形状因子为0.76；当浇注温度为630oC时，经过螺旋线槽处理制备的半固态A356铝合金的浆料组织有很大程度的细化效果，但螺旋槽对铝合金液的作用效果并不充分。初生α-Al主要呈现为有一定比例的规则排列的，相对细小的枝状晶组织，见图5a中C位置，合金浆料中初生α-Al还有很大比例的是蔷薇状组织，见图5a中D位置，平均等效圆直径为94μm，其平均形状因子为0. 53。具体的形状因子和晶粒尺寸统计见图6。
3 讨论
由图3和图5可知，螺旋线槽是对初生晶起细化作弓的主体部位。在制备半固态浆料工艺中，合金熔体在与线槽内壁之间的摩擦力和自身重力的作用下凝固。合金熔体流经螺旋线槽的过程中表现出以下的流动特性：①螺旋线槽螺旋线连续改变槽的方向，且曲率半径越来越小，合金熔体与槽面的反作用力使得合金熔体连续向内翻转。在开始流经螺旋线槽时，合金熔体和槽面冲击槽面强度比较小，熔体向内翻转程度较小；随着流动速度的增大，合金熔体冲击槽面强度连续增大，熔体向内翻转程度连续增强；②合金熔体在螺旋线槽内连续-向内翻转和沿槽面连续的相对流动形成紊流，实现熔匹自搅拌混合。A356铝合金熔体流人温度更低的螺旋线槽后，高温合金熔体与螺旋线槽内壁充分接触，合金熔体向槽体传热散热，合金熔体受到激冷后产生一定的过冷，降低初生相的形核功，在槽内壁产生初生相的异质形核。在槽面处形成的初生异质形核，随着熔体连续的-翻转和沿槽面的流动，实现从槽面处向合金熔体内部芝游离。由此引发合金熔体内部产生大量的初生相晶核．而大量晶核之间相互抑制，从而使得初生晶粒细化。
在螺旋线槽制备A356铝合金半固态浆料过程中，合金熔体的浇注温度和螺旋线槽螺旋角度是合金浆料的微观组织主要的影响因素。这将影响A356铝合金熔体的冷却效果和自搅拌混合程度。在其他线槽结构参数和工艺参数一定的情况下，合理的A356铝合金熔体浇注温度，匹配一定的螺旋线螺旋角度，就可以制备出合格的半固态浆料。
4 结 论
(1)螺旋线槽半固态制浆工艺通过装置自身结构特性，使得流经螺旋线槽的合金液在槽内自身翻转和相对运动实现自搅拌混合，形成独特的浇注方式，有利于初生晶核的游离。
(2)合金熔体的浇注温度和螺旋线槽螺旋角度是合金浆料微观组织主要的影响因素。这将影响A356铝合金熔体的冷却效果和自搅拌}昆合程度。在其他线槽结构参数和工艺参数一定的情况下，合理的A356铝合金熔体浇注温度，匹配一定的螺旋线螺旋角度，就可以制备出合格的半固态浆料。
5摘要
研究了螺旋线槽的螺旋角度和试验浇注温度对螺旋线槽工艺制备A356铝合金半固态浆料组织的影响。结果表明，合金熔体的浇注温度和螺旋线槽螺旋角度影响A356铝合金熔体的冷却效果和自搅拌混合程度。在其他线槽结构参数和工艺参数一定的情况下，A356铝合金熔体合理的浇注温度，匹配一定的螺旋线螺旋角度，可以制备出合格的半固态浆料。
