作者：张毅
金属凝固过程和晶粒细化的方法主要有化学细化法、物理细化法、外加物理场法其中，化学细化法是目前应用最广泛的方法，但是会带人杂质，不利于金属的重复利用；物理细化法使用具有局限性，设备比较复杂，但细化效果较好；外加物理场法不会带来外来杂质，材料纯度高，细化效果好，脉冲电流是外加物理场法中的一种，脉冲电流施加在金属的凝固过程不会带入杂质，对环境无污染，是一种成本低廉、操作简易、方便环保的方法。现阶段的研究采用的脉冲电流大多都是高电压、大电流，危险性较大，不利于在工业中的应用。因此，研究低压、低频率脉冲电流对金属凝固过程的影响具有积极意义。
1试验方法
试验选用纯度为99 94%（质量分数，下同）的工业纯铝作为脉冲处理试验材料。采用的脉冲电源为自制的中低频低压脉冲电源（脉冲电压为10 V.频率为50 Hz、占空比为60%、电极深度为45 mm）。试验器材有脉冲电源、DL2-15型水冷式电阻炉、剖分式钢模、流槽、高纯度石墨电极、天然气加热枪、红外测温仪、热电偶测温仪、除杂装置、除气装置等。
试验选用20 kg铝锭，将铝锭切割为小块，再将铝块进行清清处理之后放置于电阻炉内加热熔化，待铝液] 温度达到750 C后进行除气除杂处理，然后在770 C保温0.5 h出炉。将尺寸为Ø70 mm×130 mm的金属型预热至280℃，将铝渡倾倒人其中并通入脉冲电流进行处理。铝被浇注之后置于室温下进行空冷。试验装置见图1。为保证试验结果的统一性，试验用铝锭为同一批次铸造而成。电极都放置于≠35 mm与铸型剖分线的两个交点上。每组数据均进行3次试验，取平均值。
将经过不同参数脉冲电流处理的试样在相同的位置沿横向和纵向剖开。纵向剖开位置都选为电极中心线剖开（即铸型剖分线）。横向剖开位置都选为从底部起20 mm处剖切。对试样进行打磨，采用砂纸逐级研磨，然后进行抛光处理。采用混合酸腐蚀剂（HNO3.HF、H、H2O)体积比为3：3：9：5）腐蚀抛光表面，观察其表面的宏观组织。
2试验结果
试验采用高纯度石墨作为电极，料产生影响，做了未通电情况下施加的对比试验。结果发现，当高纯度石流流过时并不会对纯铝铸造组织产生
2 .1 电压对纯铝组织的影响
圈2为电压对纯Al试样截面凝固2中可以看出，当施加的脉冲电达固组织依旧是以柱状晶为主，与图2a组织状态相似，细化效果不理想。此后随着脉冲电压的增大，试样底部中心区域逐渐出现越来越多的等轴晶，由外向内生长的长条柱状晶被碎断；当处理的脉冲电压为10V时，试样组织晶粒细化效果非常显著（见图2e），该截面中心区域产生大量分布均匀、尺寸较小的等轴晶组织，粗大的柱 状晶区域面积缩小。从图2中横截面宏观图像可以看 出，随着脉冲电压升高，横截面叶1心区域外围粗大的树 枝品呈现变短变细的趋势，内部等轴晶面积逐渐增大，等轴品尺-有所减小。
图3和图4分别为不同电压下合金的等轴晶面积和截面等轴晶尺寸。可以看出，随着电压的增大，等轴晶的晶粒尺寸和面积分数都出现了波动性变化。随着电压的增大等轴晶的面积分数不断增加，晶粒不断变细。在电压达到最大值时等轴晶面积分数达到最大，晶粒尺寸最为细小。
2 .2占空比对纯铝凝固组织的影响
图5为占空比对纯铝试样凝固组织的影响。由图5可以看出．随着占空比的不断增大．品粒不断细化，在占空比为60%时细化效果最佳．随后晶粒义不断地变粗。在横截面和纵截面中等轴晶的面积分数也随着占空比的增加而先增大后减小，在60%时达到最大值。
占空比为15%的脉冲电流处理纯铝熔体后-铸锭截面中心区域等轴晶面积有一定程度的增加，但纵截面顶端区域大多仍然是粗大的树枝品，横截面中心外部树枝晶较大，组织细化效果不明显。随着占空比的逐渐增大，纵截面及横截面中心等轴晶区域先扩大后缩小一当占空比为60%时·等轴晶区域面积最大。
图6和图7分别为截面等轴晶尺寸和面积分数随占空比的变化。可以看出，随着r/空比的增大，等轴晶面积分数先增大后减小，晶粒尺寸先减小后增大；当占空比由15%提高至60%，试样纵截面等轴晶面积分数由18. 1%提高为45.5%，晶粒尺寸由2.3 mm减小为1 58 mm2，试样横截面等轴晶面积分数由27.5%增大为39. 9%．平均晶粒尺寸由2 4 mm2减小为1 3 mm2 当占空比为90%时，纵截面和横截面等轴晶面积分数分别减小至6 3%和225%，下降幅度很大，同时晶粒尺寸分别为2. 74 mm2和2 44 mm2。由此可见．脉冲电流的占空比在一定范围内的变化能够改善纯铝的凝固组织。
2 3力学性能分析
2 3 1拉伸力学性能
对试验中最佳占空比条件F的材料和未施加脉冲电流的材料分别进行了力学性能分析，结果见图8。其中的试样A为未经脉冲电场处理的铸锭，试样B为组织细化效果最佳的铸锭。由图8可知．经脉冲电流处理的试样抗拉强度由50. 03 M Pa增大为56. 98 M Pa，提高了 1:3. 9%；屈服强度由19. 29 M Pa增大为21 09M Pa，提高了9 3%；伸长率从32. 8%提高到36. 2%，提高了10. 4%．表明纯铝在经过一定脉冲电流处理后，强度，塑性均得到提高。
2 3.2试样断口分析
图9为脉冲电流处理前后拉伸试样断口中心区域组织形貌。图9a中整个断口虽然表现出塑性变形后的断裂特征，但是韧窝分散，断口面积小，说明参与变形晶粒较少，晶粒分布不均匀，最后承受不大的载荷时便发生断裂；图9b中断口面积较大，韧窝清晰，可见该组织在拉伸时能够承受较大的载荷和变形量。
根据Hall-Petch定律，材料的屈服强度随着平均晶粒直径的减小而提高。采用脉冲电流施加于纯铝的凝固过程中减小材料的晶粒直径，从而达到增强材料强度的目的。这也和力学试验的结果相符合，进一步验证了试验的正确性。
3分析及结论
式中，I为形核率；A'为不依赖温度的常数,D'为截流介质的扩散系数,w0为未加电脉冲时的热力学势垒；k为波尔兹曼常数；T0为未加电脉冲时的形核温度；Te为焦耳热引起的温度变化值。
此时焦耳热起主要作用并使介质的温度升高。
由于液态金属的电导率比同材质的固体金属小很多，所以脉冲电流优先选择通过固相，使固相内产生的热效应大于相邻的液相。这将会降低固液界面处的温度梯度和增加固液界面的稳定性，一方面当脉冲电流强度达到一定值时，焦耳热效应使柱状晶的生长几乎停止，甚至使得固液界面上粗大的枝晶固相重熔为游离晶核；另一方面电流通过金属熔体时会增加液相的对流，使金属熔体中的溶质场均匀化，抑制枝状晶的择优生长，促进金属初生相的均匀生长，从而细化凝固组织。热效应加大了熔体的过冷度，从而使得晶粒得到细化。脉冲电流对于过冷度的影响并不是一个线性的过程。当脉冲电流达到一定的强度时，使得过冷度达到最大，继续增强也会使过冷度减小，从而影响形核率而使得晶粒变粗。因此当只改变占空比时，随着占空比加大过冷度加大，使得形核率不断升高、等轴晶面积加大。在占空比达到60%附近时过冷度达到最大，这时等轴晶尺寸达到最大，之后虽然占空比不断加大，但是过冷度降低，形核率下降，导致晶粒变粗。
4摘要采用自行设计的低频低压脉冲电源对工业纯铝进行处理。脉冲电流处理的熔体宏观组织从外向内生长的长条柱状晶被碎断，外围粗大的树枝晶呈现变短变细趋势。随着脉冲电压不断增加，等轴晶面积不断加大'晶粒尺寸不断减小’影响程度呈现衰弱的趋势。当占空比不断增大时，等轴晶面积和晶粒尺寸的影响呈现先增大后减小的趋势·当占空比为60%时，熔体处理效果最佳。最佳件与未施加脉冲试样相比，布氏硬度、抗拉强度、屈服强度、伸长率分别提高10%，13 9%、9 3%、104%。试验表明，脉冲电流影响了铝熔体在凝固过程中的过冷度，使得晶粒细化程度出现波动一这种影响是多种参数共同作用的结果，但并不是线性关系。
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