采用蛇形通道浇注法制备半固态ZL101铝合金浆料的新工艺

  蛇形通道浇注法是近年来提出的一种工艺简单、生产高效的半固态金属浆料制备方法。熔体沿着一个弯曲蛇形通道的内壁流过，从而激冷形核和形成浆料。此外，合金熔体是在具有一定弧度且封闭的蛇形通道内流动并多次改变流动方向，合金熔体具有一定的“自搅拌”功能，促使合金熔体凝固初期所形成的晶核向球晶转变，从而获得非枝晶组织浆料。

1  试验方法

    试验材料为ZLIOI铝合金，其成分（质量分数，下同）为：7.5%的Si，0.28%的Mg，0.16%的Fe，0.1%的Mn，0.1%的Zn，0.05%的Ti，余量为Al。采用差示扫描量热分析(DSC)确定了该合金的固一液相温度区间为555～615℃。蛇形弯道与坩埚的材质为不锈钢，坩埚尺寸为489 mm×150 mm，壁厚为4.5 mm。采用Ni-Cr/Ni-Si型热电偶测量液态铝合金温度，其精度为±1℃。蛇形通道的结构及浆料制备原理见图1。

    利用电阻炉熔化ZLIOI铝合金，控制其浇注温度，铝合金熔体经过蛇形通道流人坩埚内，立即将浆料和收集坩埚一起放人冷水中淬火。浇注前，蛇形通道和收集坩埚都处于室温状态。沿凝固浆料的轴线方向截取约10 mm厚的圆片，再从中取出一扇形块作为金相试样。金相试样经过粗磨、细磨和抛光之后，用体积分数为0.5%的HF水溶液进行浸蚀，利用Zeiss光学显微镜观察浆料的组织形貌。利用以下公式计算初生a-AI的晶粒直径和形状因子[16-18]：

式中，D为初生a-AI的平均晶粒直径；F为初生a-AI的形状因子，取值范围为O～1，值越大表示晶粒越圆整；A和P分别为晶粒的面积和周长。

2  试验结果与分析

2.1  浇注温度对微观组织的影响

    图2为采用具有4弯道的蛇形通道在不同浇注温度下制备的半固态ZLIOI铝合金浆料的微观组织，其特征值见表1。可以看出，白色颗粒为初生a-AI，灰色部分为剩余液相凝固得到的共晶组织。由图2a可知，已有近球状初生a-AI形成，蔷薇状晶粒和近球状晶粒几乎各占一半。从图2b可以看出，其组织主要为近球状初生a-AI，其中夹杂有少量的蔷薇状晶，初生a-AI的尺寸较大。当浇注温度降低至640。C时，凝固组织形貌得到明显改善，由近球状初生a-Al均匀地分布在共晶组织中构成，晶粒尺寸减小。在640℃下浇注结束后，蛇形通道内出现一层较厚的凝固壳，而在660℃及其以上温度浇注时，蛇形通道挂料较少。此现象及凝固组织表明，在660℃及更高温度浇注，既可以得到较好的近球状初晶半固态浆料组织，又可以减少蛇形通道挂料。

2.2  弯道数量对微观组织的影响

    图3为采用不同弯道数的蛇形通道在660℃条件下制备半固态ZLIOI铝合金浆料的微观组织，其特征见表1。从图3a可以看出，初生a-AI由球状和近球状晶粒组成，蔷薇状晶粒较少。在图3b中，绝大部分初生a-AI由球状和近球状晶粒组成，同时含有少量蔷薇状晶粒。在图3c中，初生a-AI几乎全部由球状和近球状晶粒组成，且晶粒尺寸明显降低。然而，在相同的温度下浇注，随弯道数量增加，挂料增多。试验结果表明，在保证不堵塞通道时，弯道数量越多，制备的半固态浆料组织越好。

2.3冷却方式对微观组织的影响

    图4为3弯道蛇形通道、浇注温度为6 80℃、不同冷却方式的ZLI01铝合金浆料的微观组织。可以看出，在采用空冷方式时，初生a-AI由球状或蔷薇状构成，并且晶粒尺寸较大，见图4a。采用水冷方式得到的组织由球状初生a-AI组成，蔷薇状组织较少，晶粒尺寸明显减小，见图4b。研究表明，二次加热可以使蔷薇状晶粒演变成球状组织，但其尺寸较大，不利于力学性能的改善。

3讨  论

    目前对半固态合金中球状晶粒枝形成机理解释归结为3种机制：枝晶臂根部断裂机制，枝晶臂根部熔断机制，枝晶臂弯曲机制。蛇形通道浇注法中球晶的演变过程属于，枝晶臂根部断裂机制。

    采用蛇形弯道制备半固态浆料时，蛇形弯道内壁处的合金熔体具有较大的过冷度，降低了结晶时的形核功，临界晶核半径也将减小；此外，蛇形通道内壁为凹面，能促进形核，这将有利于更多的原子集团成为晶核。通道内流动的合金熔体将受到本身的重力和管壁的摩擦力作用。由于受到管壁摩擦力的作用，合金熔体各处的流速不一样，这必然使合金熔体内部产生剪切力。通道内合金熔体密度分布不均匀，将引起对流。对流不仅将型壁处的部分晶核带到熔体的其他区域，而且也会使合金熔体内部产生剪切力。剪切力促使枝晶臂的断裂，

减小晶粒尺寸，并使晶粒球化。

    蛇形通道内合金熔体的浓度梯度、温度梯度和固液界面前沿的扰动情况决定初生晶核的生长形态。蛇形通道的“自搅拌”作用，使得初生a-Al晶粒周围的浓度场和温度场更加均匀，提高固液界面的稳定性，抑制品粒的择优生长，使初生a-AI晶粒最终演变为球状或近

球状。浇注温度高，或者冷却时间较长，晶粒有充足的时间长大，最终得到的组织较为粗大。所以，采用较低的浇注温度和水冷的方式，更易得到细小、均匀的近球状晶粒。弯道数量越多，“自搅拌”作用越强，得到的组织形貌越好。但是，弯道数量的增加，使得挂料增加。

4结  论

    (1)蛇形通道浇注法制备的半固态ZLIOI铝合金浆料，浇注温度在640～680℃范围内，随浇注温度的降低，半固态浆料的质量不断提高，浇注温度为660℃时达到最佳。

    (2)弯道数量增多，搅拌作用增强，可提升半固态浆料的品质。但是通道内的挂料会增多，通道被阻塞的几率增加。综合考虑，4弯道较为适宜。

    (3)在浇注温度和弯道数量都相同的情况下，采用空冷的方式得到的晶粒比较粗大，水冷的方式可以减小晶粒尺寸，并且有更好的脱模效果。

(4)蛇形通道激冷，促进大量形核，同时，合金熔体的“自搅拌”作用，使初生晶核演变为球状或近球状晶粒。

5、摘要

采用蛇形通道浇注法制备半固态ZI)10l铝合金浆料，研究了浇注温度、弯道数量、冷却方式对半固态浆料组织的影响。结果表明，浇注温度在640~680。C范围时可获得理想的半固态ZI。101铝合金浆料，其组织随浇注温度的降低，由蔷薇状向近球状或球状组织演变。在相同浇注温度下，弯道数量增加，可以改善初生a—A1晶粒的形貌，降低晶粒尺寸。弯道内的合金熔体具有“自搅拌”作用，使初生晶核演变为球状或近球状晶粒。