脉冲磁场对Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金凝固组织的影响

刘峰  周全  黄曼青  黄金角  王俊

 （南昌航空大学航空制造工程学院）

摘要  研究了脉冲磁场作用下长周期结构增强Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金凝固组织的变化，研究了不同的脉冲电压、脉冲频率、浇注温度和模具预热温度对合金凝固组织的影响。结果表明，在脉冲磁场作用下，合金的凝固组织显著细化，其初生aMg相转变成细小、圆整的近球状或蔷薇状晶体，第二相分布变得均匀。当脉冲电压在0～240 V范围内或脉冲频率在1～10 Hz范围内，随着脉冲电压或脉冲频率的增加，合金的凝固组织逐渐细化；当浇注温度在660～750℃范围内或铸型预热温度在200～600 uc范围内时，随着浇注温度的升高或模具预热温度的降低，合金的凝固组织逐渐细化。

关键词  脉冲磁场；Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金；凝固组织

 镁合金具有密度低、质量轻、比强度高、可回收利用和环保等特点，在汽车、航空航天等领域有着广泛的应用前景。长周期结构增强的镁合金表现出优异的常温和高温性能，优于传统镁合金。铸态长周期结构增强的Mg97Y2Cu,合金由于其凝固组织比较粗大，导致其力学性能较差，因而限制了该合金的进一步应用。

 近年来的研究表明，利用脉冲磁场可以控制凝固过程，有效细化镁合金、铝合金、不锈钢、铜合金及高温合金等金属或合金的凝固组织。脉冲磁场对晶粒粗大合金凝固组织影响的研究比较多，而对细小晶粒合金凝固组织影响的研究报道很少。为此，本课题研究了脉冲磁场对Zr、Sr细化后长周期结构增强Mg97 Y2 Cui合金凝固组织的影响。

1  试验材料和方法

 试验材料为Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金，合金的主要化学成分（质量分数，下同）：Y为6.84%，Cu为2.46%，Zr为1%，Sr为0.05%，余量为Mg，其中Y、Cu、Zr和Sr分别以Mg-30Y、Mg-30Cu、Mg-302r和- Mg-25 Sr中间合金的形式加入。

采用自行研制的脉冲磁场凝固装置进行试验，装置示意图见图1。该装置包括脉冲电源、不锈钢铸型、螺线管工作线圈及耐火砖底座等。本装置采用低压充放电技术，脉冲电压最高为450 V，脉冲频率最高为20 Hz。

 采用低碳钢坩埚，将配制好的纯Mg和Mg-30Y、Mg-30Cu、Mg-302r和Mg-25Sr中间合金放入99. 5%的CO。+0.5%的SF。混合气体保护下的坩埚电阻炉中熔化。在740℃精炼处理后，保温10 min，然后浇注到置于磁场线圈中的不锈钢铸型内。浇注完立即启动脉冲磁场，在不同的磁场参数和冷却条件下凝固，具体试验参数见表2。

 在铸锭1/2高度的横截面中心部位截取试样以制备金相试样，经研磨、抛光后，采用体积分数为0.5%的硝酸酒精溶液腐蚀。利用型号为X-J P-6A的光学显微镜观察合金金相形貌，扫描电镜观察合金的第二相形貌；采用截线法测量合金的晶粒尺寸，Image Pro图像分析处理软件计算合金中长周期结构相的体积分数。

2  试验结果与分析

2.1  脉冲电压对合金凝固组织和晶粒尺寸的影响

图2和图3分别为不同脉冲电压下Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金的初生相形貌和晶粒大小。可以看出，无磁场处理时，合金的初生晶粒为比较粗大的等轴晶；当脉冲电压为80 V时，初生晶粒有所细化，但效果不明显；当脉冲电压为160 V时，初生晶粒有较明显细化，且为较圆整的等轴晶；当脉冲电压为240 V时，初生相显著细化，为细小蔷薇状晶体。总之，在0～240 V范围内，随着脉冲磁场电压的增加，合金的初生晶粒逐渐细化，晶粒尺寸逐渐减小。

 经过微量Zr、Sr处理的Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金初生晶粒不是特别粗大，枝晶也不是很发达，脉冲磁场很难将一次枝晶或二次枝晶折断或熔断，因此脉冲磁场对合金晶体生长过程的影响很小，而主要是通过影响合金的形核率来细化其凝固组织。脉冲磁场作用对合金熔体具有电磁振动和电磁搅拌的双重效果和作用。电磁振动和电磁搅拌一方面增加了金属熔体在凝固过程中的过冷度，从而导致金属熔体凝固结晶时形核率的增加；另一方面在熔体中造成了剧烈的强迫对流，使型壁处更多的晶粒产生游离，然后在电磁力的作用下，游离的晶核进入熔体心部成为新的形核质点，显著增加了合金的形核率。所以，在0～240 V范围内，随着脉冲电压的增加，脉冲磁场在熔体内产生的电磁振动和电磁搅拌效果加强，形核率逐渐提高，合金的初生晶粒逐渐细化。

2.2脉冲频率对合金凝固组织和晶粒尺寸的影响

图4和图5分别为不同脉冲磁场频率作用下Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金的初生相形貌和晶粒尺寸大小。可以看出，在1～10 Hz范围内，随着脉冲频率的增大，合金凝固组织逐渐细化，晶粒尺寸逐渐减小；当脉冲频率达到10 Hz时，合金凝固组织细化效果最好，初生相全部为细小的近球状晶体或蔷薇状晶体，且形貌比较圆整。

 在1～10 Hz范围内，随着脉冲频率的增大，单位时间内脉冲磁场对熔体的作用次数增多，一方面可以加快凝固过程中合金熔体内部热量的扩散，加快了冷却速率，合金形核率增加；另一方面电磁振荡产生更多的焦耳热，有效降低了熔体表面与熔体内部的温度梯度，并抑制内部晶核的长大。因此，随着脉冲频率增大，Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金的初生晶粒逐渐细化，并转变为细小、圆整的近球状或蔷薇状晶体。由于脉冲磁场主要影响合金的形核率。因此，通过试验和分析可知脉冲频率是影响Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金凝固组织的主要因素。

2.3浇注温度对合金凝固组织和晶粒尺寸的影响

图6和图7为浇注温度对Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金凝固组织和晶粒尺寸的影响。可以看出，当浇注温度为660℃时，初生a-Mg晶粒有少数呈现蔷薇状，其他仍为较粗大的等轴晶，见图6a；当浇注温度为690℃时，初生a-Mg晶粒有所细化，但效果不明显，见图6b；当浇注温度为720℃时，大部分的初生a-Mg晶粒转变成等轴状，且晶粒得到明显细化，见图6c；当浇注温度为750℃时，初生a-Mg晶粒进一步细化，绝大部分转变为近球状晶体，见图6d。总之，在660～750c范围内，随着浇注温度的升高，合金的初生晶粒逐渐细化，其晶粒尺寸逐渐减小。

无脉冲磁场作用下，浇注温度升高时，熔体过热度增大，合金冷却速度减慢，晶粒有足够的长大时间，合金的凝固组织会变得粗大；然而，在脉冲磁场作用下，随着浇注温度升高，一方面合金的冷却速度逐渐降低，脉冲磁场对合金熔体的作用时间延长；另一方面Zr的解

度提高，在凝固时更多的a-Zr成为a-Mg的结晶形核核心，能够充分发挥脉冲磁场和Zr的晶粒细化作用，且脉冲磁场和Zr所造成的晶粒细化作用远大于浇注温度提高引起的晶粒粗化作用，因此，合金的初生晶粒逐渐细化。由于模具预热温度较高，所以浇注温度对合金凝固组织影响较小。

2.4铸型预热温度对合金凝固组织和晶粒尺寸的影响

图8和图9为铸型预热温度对Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金凝固组织和晶粒尺寸的影响。可以看出，在200～600℃范围内，随着铸型预热温度的升高，初生晶粒不断粗化，晶粒尺寸逐渐增大；当铸型预热温度为200℃时，合金凝固组织最为细小，全部是细小、圆整的近球状晶体。

 铸型预热温度决定合金熔体的冷却速度，从而影响合金的形核率。在200～600℃范围内，随着预热温度的降低，合金的冷却速度加快，熔体过冷度增大，形核率增大。当预热温度较低时，在快速冷却和脉冲磁场的双重作用下，合金凝固组织得到了显著的细化，其中脉冲磁场本身所起到的组织细化作用较小；当预热温度较高时，虽然有利于发挥脉冲磁场的作用，但晶体生长时间也延长了，因此合金的凝固组织仍有所粗化。

2.5  脉冲磁场对合金第二相形貌的影响

图10为13号和11号试样经脉冲磁场处理前后合金典型的第二相形貌（未经磁场处理为13号，经磁场处理为11号）。图10中黑色衬度相为a-Mg基体相，灰白色衬度相为第二相。从图10a和图10b可以看出，经脉冲磁场处理后，第二相体积分数显著提高，由未经过磁场处理时的5. 3%提高到磁场处理后的8.2%，且第二相分布变得均匀；从图10c和图10d可以看出，脉冲磁场处理并未影响第二相的结构形态，磁场处理前后第二相均为条纹状结构。合金的第二相主要是围绕于a-Mg基体的晶界上形成，合金晶粒得到了细化，细小、均匀的近球状或蔷薇状初生a-Mg晶体有利于改变第二相的形态和分布，使得晶界上的第二相变得更加均匀。

3  结论

 (1)脉冲磁场可以显著细化长周期结构增强Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金，其初生a-Mg相转变成细小、圆整的近球状或蔷薇状晶体，第二相分布变得均匀。

 (2)当脉冲电压在0～240 V范围内或脉冲频率在1～10 H。范围内，随着脉冲电压或脉冲频率的增加，合金的初生晶粒逐渐细化。

 (3)当浇注温度或铸型预热温度分别在660～750℃和200～600℃的范围内，随着浇注温度的升高或铸型预热温度的降低，合金的初生晶粒逐渐细化。