陈 旭蒋文明王本京吴和保樊自田李 达
（1．武汉工程大学机电工程学院；2．华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室）
摘要在消失模一熔模铸造A291D镁合金的凝固过程中施加机械振动，研究在不同浇注温度、振幅和振动频率下消失模-熔模铸造A291D镁合金组织的变化。结果表明，施加机械振动后获得组织中的树枝晶明显减少，随着浇注温度的降低镁合金组织逐渐被细化，但浇注温度过低不利于机械振动发挥最佳效果，在730℃时获得组织较为理想，晶粒主要呈等轴状。随着振动频率的增大，合金组织细化，当振动频率为100 Hz时细化效果最好，初生a相的晶粒尺寸仅为166.4μm，β相也基本以细小颗粒状分布。增大振幅能使镁合金晶粒尺寸明显减小，在振幅为1.0 mm时获得的晶粒最为细小、圆整。
消失模一熔模铸造是在消失模铸造的基础上采用熔模铸造的制壳工艺利用聚乙烯代替蜡模，经过失模、焙烧和造型制备陶瓷型壳。之后再把型壳放入砂箱中，采用干砂负压造型，最后进行浇注。该工艺综合了消失模铸造、负压铸造、熔模铸造的优点，在铸造界受到广泛的关注。
镁合金具有密度低、熔点低、比热容小、结晶潜热小等优点，在航空航天、汽车工业等领域得到广泛应用。消失模一熔模铸造技术适合生产镁合金精密铸件，但由于其获得的铸件组织多呈树枝晶，力学性能较低，影响了镁合金铸件的应用。因此，采取有效措施改善镁合金组织性能显得尤为关键。在镁合金的凝固过程中施加机械振动能改变其凝固过程从而达到改善其组织的目的。本课题结合消失模一熔模铸造特点，借助振动台对镁合金的凝固过程实施处理，达到改善镁合金组织和性能的目的。主要研究了机械振动下浇注温度、振动频率和振幅等参数对消失模一熔模铸造镁合金凝固组织的影响，以期为消失模一熔模铸造镁合金的实际应用提供参考。
1 试验材料和方法
试验材料为A291D镁合金，其化学成分见表1，试验所用振动台示意图见图1。
首先制备泡沫模样，之后将泡沫模样浸入制作好的涂料中，上下、左右转动，使模样表面均匀地涂挂一层涂料，经过撒砂、干燥、去模、培烧制备陶瓷型壳。将制备好的型壳放入砂箱，周围填入干砂，然后振动紧实，在浇口处套上一层塑料薄膜待浇。
将坩埚放入电阻炉内预热，取出后均匀刷上一层涂料，再放入炉内烘干，之后放入烘干的镁锭。待镁合金熔化温度升至720～730℃时，进行除气精炼、扒渣；同时在镁合金液表面撒上一层覆盖剂，以防止镁合金液氧化燃烧，静置15～20 min，调节温度至730℃进行浇注，试验参数见表2。
A291D镁合金金相试样经过研磨、抛光后，用体积分数为4%的硝酸酒精溶液在室温下腐蚀20 s；采用MeF-3金相显微镜和QUANTA-400型扫描电镜观察显微组织；采用Image Tool图像分析软件测量镁合金组织中初生相的平均面积、周长以及β相的平均长度和宽度，进而计算其长宽比。A291D镁合金的初生a相的晶粒尺寸和形状系数由下式计算：
式中，A为初生相的平均面积；P为初生相的平均周长；D为初生相的晶粒尺寸；F为初生相的形状系数，F值从0到1，越接近1说明初生相的形状越趋向于球形。
2 试验结果及分析
2.1 浇注温度对消失模一熔模铸造镁合金组织的影响
不同浇注温度下获得的a-Mg初生相微观组织见图2，晶粒尺寸和形状系数见图3。
从图2可以看出，施加机械振动后获得的树枝状的初生a相较少，初生a相大多以等轴晶分布。随着浇注温度升高，晶粒尺寸增大，然而树枝晶的数量减少，说明机械振动有利于树枝晶的消除。但浇注温度过低不利于机械振动发挥最佳效果，在730℃时获得组织较为理想，晶粒主要呈等轴状，见图2b。图3中初生a相的晶粒尺寸随温度的升高而逐渐增大，温度从690℃上升至730℃，晶粒尺寸由150.8μm增加到160.4μm，增加了6. 4%。温度为770℃时晶粒尺寸为237.4μm，相比于730℃增大了32. 4%。730℃时初生a相的形状系数最高，为0. 79，说明此时初生相组织最趋近于球状。
不同浇注温度下获得的口相的微观组织见图4，第二相长、和宽度和长宽比分别见图5和图6。可以看出，690℃时，口相基本以细小的短杆状和颗粒状弥散分布在晶界处，但是仍存在部分粗大的β相；当温度升高至730℃，口相也以细小的短．杆状和颗粒状呈现，其均匀弥散分布在晶界处，β相长宽比稍微减低；770℃时，p相以粗大长杆状散乱分布于晶界处，只有少数β相呈颗粒状分布在晶界处，说明随温度进一步升高，β相枝晶变得粗大且分布不均匀。
β相的长和宽随温度的升高而增大，温度上升至730℃前曲线平缓，增幅不大。温度从730℃上升到770℃，长度和宽度分别增加了25. 34 μm和3.22 μm，增长趋势较为明显。图6中β相长宽比在温度上升到730℃前变化较小，温度上升至770℃后增加到3. 90，说明β相形貌发生明显变化。由图5和图6可知，第二相的晶粒尺寸在温度上升到730℃后明显增大，形状也由细小的颗粒状向粗大的长杆状转变。
2.2振动频率对消失模一熔模铸造镁合金组织的影响
在不同振动频率下，获得的消失模一熔模铸造镁合金组织的初生a相组织见图7，晶粒尺寸和形状系数见图8。从图7可以看出，随着振动频率的增加，初生a相的树枝晶组织显著减少。低频振动(35、50 Hz)时初生a相部分仍呈现出树枝晶组织，晶粒大小不均匀；当振动频率增加到100 Hz时，初生a-Mg基本为等轴晶形貌；进一步增加振动频率到120 Hz，初生相明显发生了粗化，但也基本以等轴晶为主。图8中初生a相的晶粒尺寸随着振动频率的增加先减小后增大，形状系数则呈现相反的趋势。当100 Hz时获得的组织较为理想，晶粒尺寸最小、形状系数最大。
不同振动频率下获得的β相的微观组织见图9，长宽和长宽比见图10和图11。图9a中β相主要以粗大的长杆状分布于晶界处，局部区域有少量块状和颗粒状β目；随着振动频率的增大，第二相逐渐得到细化，弥散分布的颗粒状口相逐渐增多，见图9b和图9c;进一步增大振动频率，β相并没有进一步明显细化，反而略有恶化，见图9d。
β相尺寸和形貌的变化规律与初生相相同，在100Hz时晶粒长和宽最小，分别为25. 11μm和9.7μm，相比低频(35 Hz)减小了52. 8%和13. 5%，长宽比由4.74减小到2. 58。继续增加振动频率，β相的长宽和长宽比均略有增大。
2.3振幅对消失模一熔模铸造镁合金组织的影响
在不同振幅下，获得的消失模一熔模铸造镁合金初生a相微观组织见图12，晶粒尺寸和形状系数见图13。
图12a中初生a相细化并不明显，仍可看到近乎完整的枝晶，晶粒尺寸较大；当振幅增加到0.6 mm时，枝晶进一步细化，晶粒尺寸明显减小，仅剩下部分树枝晶，且并不发达，见图12b;当振幅增大到1．O mm，组织基本由细小的等轴晶组成，组织细化明显，见图12c。
从图13可以看出，振幅为0.2 mm时初生a相的晶粒尺寸为261.2μ;振幅为0.6 mm时初生相的晶粒尺寸为210 μm，相比振幅为0.2 mm的减小了19.6%；振幅为1．O mm时初生相的晶粒尺寸为166.4μm，相比振幅为0.6 mm的减小了20. 8%。因此，随着振幅的增大初生相的晶粒尺寸逐渐减小。
不同振幅下获得的卢相的微观组织见图14，长度、宽度和长宽比见图15和图16。图14a中β相以连续网状分布在晶界处；振幅增加到0.6 mm，β相网状开始断裂，晶粒尺寸减小，部分第二相开始以块状和颗粒状分布于晶界处；振幅为1.0 mm时，原本网状的β相已基本断裂，呈颗粒状和块状弥散分布于晶界处。
从图15和图16可看出，β相的长度、宽度和长宽比随振幅的增大逐渐减小，说明β相的晶粒尺寸不断细化，形状也越来越趋向于球状。在振幅为1.0 mm时，β相长度和宽度为25. 11 μm和9.7μm，细化效果最为明显。相比振幅为0.2 mm时，β相的长宽分别减小了59. 6%和6.6%，长宽比也由5.98下降到2.58。
3 讨 论
由以上试验可以看出，在施加机械振动的合金液凝固过程中浇注温度、振动频率和振幅的改变会对消失模一熔模铸造镁合金组织产生较大影响。
浇注温度是过冷度的直接体现，过冷度增大会使合金微观组织的形核率N和长大速度G变大。单位体积内晶粒数目Zv为：
可以看出，随温度升高，过冷度降低，N／G的比值增大，单位体积内晶粒的数目减少，晶粒尺寸增大。所以铸造中把降低浇注温度作为细化晶粒的一种方法。由试验分析可知，在A291D镁合金的消失模一熔模铸造中施加机械振动会使凝固过程中以枝晶状生长的初生a-Mg减少，同时随着浇注温度的降低晶粒逐渐细化。但机械振动过程中温度过低使得金属液凝固时间较短，大多数枝晶还来不及被“剪切”，初生a相较多以树枝状晶生长，且晶粒的细化程度还受凝固条件的限制。由于消失模一熔模铸造的特殊性，传热是靠干砂进行的，冷却时间长，熔体间原本细小的晶核有充分的时间长大，即晶粒具有粗化的趋向。因此温度下降一定程度后，晶粒的细化程度就不明显，同时过低的浇注温度也会影响金属液的充型能力。当浇注温度较高时，虽然晶粒也发生了粗化，但是由于机械振动的作用，使得树枝晶的数量明显减少。
振动使金属液各部分产生相对运动，各部分的速度差产生“粘性剪切”，使浮游在液相中的晶粒被剪切折断、破碎，抑制了初生a相和β相晶核的长大从而达到细化晶粒的目的。从试验结果分析得出，提高振动频率和振幅可以增大镁合金液内部固相与液相相对运动，增大了镁合金液中液相对固相的冲击，晶粒之间相互碰撞和磨损加剧，使枝晶臂被剪切，导致组织细化。
同时，振动会使合金液流动的动量增大从而产生较大的压力，根据Clausius-Clapeyron公式：
式中，△Tp为A291D镁合金熔点的改变量；Tm为合金的熔点；AP为压力改变量；V1为固态体积；V2为液态体积；△Hm为结晶潜热。
由于合金液在液相转变为固相的过程中体积减小，随着振动频率和振幅的增加使合金液内部压力逐渐增大，合金液的熔点升高，过冷度提高，自发形成的晶核数目增加，从而导致晶粒逐步细化。
另外，镁合金晶粒在铸态时呈枝晶状生长，枝晶的各部分表面曲率各不相同，根据热力学公式：
式中，ATr为平衡熔点的改变量；σ为枝晶单位面积的表面能；Tm为合金的熔点；Vs为镁合金的固相体积；K为表面曲率；AH为熔化焓。
可以看出，平衡熔点的改变量和表面曲率成正比，在枝晶的根部由于K<O，△Tr<0，从而根部的熔点较低。机械振动使合金液在凝固过程中强制流动，高温合金液流过枝晶时会使熔点较低的根部熔化从而导致枝晶熔断，熔断的枝晶会在新的区域再次生长。随着振动频率和振幅的增大，枝晶熔断的数量逐渐增多，单位体积的晶粒数量增加，晶粒逐渐细化。但振动频率过大，会使合金液内部紊流加大，部分金属液被抛离型壁，使传热不良，增加了凝固时间，原本应该细小的晶粒继续长大，使得晶粒尺寸变大。
4 结 论
(1)机械振动会使消失模一熔模铸造A291D镁合金组织中的树枝晶明显减少，且随着浇注温度的降低组织不断得到细化。但浇注温度过低不利于机械振动发挥最佳效果，使得树枝晶组织增加且晶粒没有进一步明显细化。在730℃时获得组织较为理想，初生相呈细小等轴状，β相呈颗粒状弥散分布于晶界。
(2)随着振动频率增大，A291D合金组织不断细化，当振动频率为100 Hz时组织细化效果最好，初生a相的晶粒尺寸仅为166.4μm，β相也以细小颗粒状分布，而进一步增大振动频率，效果不明显。
(3)增大振幅能明显细化A291D合金组织，振幅越大镁合金组织的细化效果越明显。试验中振幅为1.0 mm时，所得试样的组织晶粒最为细小，形状较为圆整。
