文章编号：1004-0609(2013)06-1598-07

电磁搅拌对复层材料凝固组织的影响

赵佳蕾，付  莹，曹志强，钟德水，李廷举

(大连理工大学 材料与科学工程学院，大连 116023)

摘  要：采用固液复合的方法制备3003/4004和5056/AZ91两种不同结合类型的双金属复层材料，使用光学显微镜和XRD等手段分析电磁搅拌对复层界面凝固组织的影响。结果表明：施加电磁搅拌可以明显改变两种复层材料界面的凝固组织，对于3003/4004复层铸锭，未经处理时，4004一侧界面附近的凝固组织为粗大的树枝晶；而经电磁搅拌处理后，其界面附近凝固组织为非树枝状；对于5056/AZ91复层铸锭，未经处理时，金属间化合物主要聚集在过渡层处，靠近5056铝合金一侧的为Mg₂Al₃，靠近AZ91镁合金一侧的为Mg₁₇Al₁₂；而施加电磁搅拌后，Lorentz力会引起AZ91熔体强迫流动，反复冲刷外层5056凝壳导致重熔，大量铝元素被卷入铸锭内部与未凝固的镁合金熔体混合，使得从界面到心部均为单一的Mg₂Al₃相。

关键词：复层材料；电磁搅拌；镁合金

中图分类号：TG146.2        　   　     文献标志码：A

Effect of electromagnetic stirring on solidification structure of clad ingots

ZHAO Jia-lei, FU Ying, CAO Zhi-qiang, ZHONG De-shui , LI Ting-ju

(Department of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China)

Abstract: The solid-liquid compound method was used to prepare 3003/4004 and 5056/AZ91 clad ingots. The optical microscope and XRD were used to analyze the effect of electromagnetic stirring on the modification of solidification structure. The results show that, with electromagnetic stirring, the interface morphology of solidification structure obviously changes. For 3003/4004 clad ingot, without electromagnetic stirring, the solidification structure of 4004 aluminum alloy near the interface is coarse dendrite, when electromagnetic stirring is used, the solidification structure of 4004 aluminum alloy changes into non-dendrite crystal. For 5056/AZ91 clad ingot, without electromagnetic stirring, the of intermetallic compounds congregate on the interface, which closing to 5056 side and AZ91 side are Mg₂Al₃ and Mg₁₇Al₁₂. When electromagnetic stirring is used, the forced convection in AZ91 melt caused by Lorentz force washes against 5056 solidification shell to remelting, a great quantity of Al element involves in the core of the ingot and mixed with magnesium alloy melt, so that Mg₂Al₃ is generated from the interface to the core.

Key words: cladding materials; electromagnetic stirring; magnesium alloy

层状金属复合材料是“十二五”国家科技计划材料领域重点项目。所谓层状金属复合材料是利用复合技术使两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的金属在界面上实现牢固冶金结合而制备的一种新型复合材料^[1]。这类材料能够充分发挥母材的优势性能，同时具有“互补效应”^[2]，可以克服各自的缺点，具有较强的可设计性和良好的综合性能，广泛用于航天、化工、汽车、轮船、冶金等领域^[3-5]。其制备方法主要有爆炸复合^[6]、轧制复合^[7]、扩散复合^[8]、铸造复合^[9]等，其中采用铸造复合，特别是连续铸造，具有工艺简单易于实现连续生产、界面结合强度高等优点，有利于工业化生产，已成为金属复层材料研究领域的热点之一^[10-11]。电磁搅拌早已被广泛应用于各类合金的制备环节，不仅可以减少铸坯表面和皮下夹杂物的数量，使夹杂物分布均匀，还可以明显细化合金组织的晶粒，改善铸坯的微观结构，提高合金的综合性能^[12-13]，而将电磁搅拌应用于复层材料的制备却鲜有报道。

在金属凝固过程中施加旋转磁场，会在金属熔体内部产生一个电磁力分量，其方向与磁场旋转方向相同，将驱动金属液中产生强迫流动。如果处于旋转磁场中的铸锭外层为一种固态金属，内层为另外一种液态金属，那么内层熔体强迫流动将对两种金属的界面结合状态、过渡层的形成以及相结构等产生重大影响。为了研究电磁搅拌作用对界面处金属凝固行为的影响规律，本文作者选用两种不同复合类型的复层材料，一种为没有界面反应的3003/4004铝铝复层材料，一种为有界面反应的5056/ AZ91铝镁复层材料，考察电磁搅拌对复层铸锭的宏观形貌、结合界面的微观组织、成分分布的影响，研究两种不同类型的复层铸锭在有无电磁搅拌情况其结合界面的凝固过程及结合机理。

1  实验

实验材料为3003、4004、5056和AZ91合金，其成分如表1所列。实验所采用的电磁搅拌装置为两相两级对电磁驱动器，其磁搅拌强度通过改变旋转磁场发生器的输入电压来调节，磁场发生器所产生磁场的磁感应强度与输入电压成正比。铸型采用304不锈钢材质，其直径为70 mm，高度为75 mm。将配制好的合金分别在两个井式电阻炉中熔炼，每种合金浇注前都在过热50 ℃的温度下保温20 min左右。具体的实验过程如图1所示。在制备3003/4004铝铝复层铸锭过程中，首先将温度为700 ℃的外层3003合金浇注到不锈钢铸型中，静置10 s后，将铸型中尚未凝固的熔体倾倒出来，获得一壁厚为10~12 mm的凝壳。然后，将温度为600 ℃的4004熔体浇注到3003凝壳中(此时3003凝壳内侧的温度约为560~580 ℃)，同时施加旋转磁场，磁场强度约为15 mT。制备5056/AZ91铝镁复层铸锭的方法与上述方法相同，外层5056合金浇注温度为710 ℃，静置时间同样为10 s，凝壳厚度8~10 mm，凝壳温度580~600 ℃，内层AZ91浇注温度为595 ℃，施加磁场强度同样为15 mT。将浇注好的复层铸锭空冷。作为对比，本实验还在相同情况下制得未施加电磁搅拌的试样。最终获得尺寸为d 67 mm× 75 mm 的复层铸锭，将其从距底部15 mm的位置沿横截面剖开，经磨样、抛光，王水V(HCl):V(HNO₃)=3:1)腐蚀后观察其宏观组织，5%HF(体积分数)腐蚀后观察其金相组织。采用EPMA-1600电子探针对结合界面成分进行线分析及微区成分分析。使用Shimadzu XRD-6000 X射线分析仪对5056/AZ91复合铸锭界面进行检测，以确定其相组成，其操作电压为40 kV，操作电流为30 mA，扫描范围从20°~100°，扫描速度为4 (°)/min。

表1  实验材料的化学成分

Table 1  Chemical composition of experimental materials

图1  实验过程示意图

Fig. 1  Schematic diagram of experimental process

2  结果及分析

2.1  电磁搅拌对3003/4004铝合金复层铸锭凝固组织的影响

图2所示为3003/4004复层铸锭宏观组织。由图2可知，3003/4004铝合金在有无电磁搅拌情况下均形成了清晰的复合界面，且外层3003合金均为典型的柱状晶组织。未加电磁搅拌的铸锭中，其心部的4004合金晶粒组织粗大，且与3003凝壳接触的部分因受到凝壳的冷却作用形成柱状晶，柱状晶向铸锭中心生长直至与中心粗大的等轴晶相遇，如图2(a)所示；而经电磁搅拌处理的铸锭中，其心部的4004合金晶粒组织明显变得细小，且柱状4004晶粒全部转变为等轴晶，如图2(b)所示。

图3所示为3003/4004复层界面金相组织。由图3可知，未加电磁搅拌时，复合界面附近4004合金一侧的凝固组织为粗大的树枝晶，且树枝晶的生长方向与热量传输方向平行，如图3(a)所示。经电磁搅拌处理的铸锭，界面附近4004合金一侧的凝固组织由粗大的树枝晶变为球状或近球状的非树枝晶，且分布更为均匀，如图3(b)所示。

2.2  电磁搅拌对5056/AZ91复层铸锭凝固组织的影响

图2  3003/4004复层铸锭宏观组织

Fig. 2  Macrostructures of 3003/4004 cladding ingots

图3  3003/4004复层铸锭界面微观组织

Fig. 3  Microstructures of interfaces of 3003/4004 cladding ingots

图4所示为有无电磁搅拌情况下5056/AZ91复层材料界面的宏观组织。如图4(a)所示，将镁合金浇注到具有一定温度的固态铝合金凝壳中时，两种金属会发生反应，形成一定厚度的过渡层，过渡层内生成异于两侧基体的脆性金属间化合物。图5所示为未施加电磁搅拌时复层试样界面附近微观组织(取样位置已在图4(a)中标出)。结果表明，从图5(a)左侧的AZ91镁合金到图5(b)右侧的5056铝合金，两种基体之间的过渡层出现了不同类型的金属间化合物(已用数字标出)。经电子探针定量分析(见表4)及X射线衍射分析(见图6(a))，基本可以确定其物相组成。由图5可知，与AZ91基体直接接触层(标注1)为团簇状(Mg₁₇Al₁₂+α-Mg)共晶组织，随后Mg₁₇Al₁₂相逐渐增多，出现树枝状Mg₁₇Al₁₂相(标注2)，并过渡至Mg₁₇Al₁₂单相区(标注3和4)。接下来为Mg₂Al₃单相区(标注5)。根据Al-Mg二元合金相图^[14]，Mg含量不同会生成不同类型的金属间化合物，而从AZ91侧开始，Mg元素在过渡层中的含量逐是渐降低的，因此在过渡层内出现了不同的金属间化合物。经Image-Pro Plus软件测量，该过渡层约3 mm。施加电磁搅拌后，复层铸锭横截面的宏观形貌如图4(b)所示，可看出界面处与内部呈现相同的组织形貌，分别对其进行XRD分析可以看到(如图6(b)和(c)所示)，无论是界面还是心部均为Mg₂Al₃相。可见，对于有界面反应的5056/AZ91复层材料，未施加电磁场时，两种金属间形成一定厚度的过渡层，过渡层内由Mg₁₇Al₁₂ 及Mg₂Al₃两种相组成；施加一定强度的电磁搅拌可以促进两种合金之间的反应，导致复层铸锭内层几乎都转变为Mg₂Al₃相。

图4  5056/AZ91复层铸锭的宏观形貌

Fig. 4  Macrostructures of 5056/AZ91 cladding ingots

图5  未施加电磁搅拌情况下基体与反应层结合区域的微观组织

Fig. 5  Microstructures of layer between reaction zone and matrix alloys without electromagnetic stirring

表4  反应层内不同位置的EPMA成分分析

Table 4  Composition analysis of elements at different positions in reaction zone by EPMA

图6  图4中标定区域的XRD谱

Fig. 6  XRD patterns of marked area in Fig.4

2.3  讨论

3003和4004合金为两种不同牌号的铝合金，将4004浇注到3003凝壳中时，两者不发生反应，没有金属间化合物生成。当4004熔体置于旋转磁场内，由于电磁感应将产生感应电流，金属液作为载流导体在外加磁场的作用下产生电磁力，此电磁力可分解为径向力和切向力，低频电磁搅拌情况下起主要作用的为切向力，在的作用下熔体沿着圆周运动^[15]。切向力的计算公式为

^[16]                  (1)

^[17]                        (2)

                                    (3)

式中：为电导率(S/m)；为流体切向流速分量 (m/s)；B为磁感应强度(T)；r为金属熔体的半径(m)；为交变电流的角频率(rad/s)；f为电源频率(Hz)；N为金属液的转速(r/s)；y为弯月面深度；g为重力加速度(s/m²)。

以3003/4004复层铸锭为例，600 ℃下4004铝合金的电导率为7.0×10⁶ S/m^[14]；磁感应强度B为15×10^-3 T；金属熔体半径r为0.021 5 m；电源频率f为50 Hz；弯月面深度y为0.013 m^[18]；重力加速度g为9.8 m/s²。将数据分别带入式(1)、(2)和(3)可求得界面处熔体所受的电磁力约为5 248 N。该电磁力(洛仑兹力)可以促使4004熔体在3003凝壳处产生较强的强迫流动，这就改变原有的树枝晶生长条件，在这种情况下晶粒的长大无论在哪个方向都没有明显的优先取向，最终生长成为球状或近球状的非树枝晶^[19]。因此，复层铸锭界面附近及心部的4004合金凝固组织都为球状或近球状，组织的细化有利于复层铸锭机械性能的提高。

而对于5056/AZ91复合材料，从热力学角度分析，根据式(4)，当AZ91熔体温度约为595 ℃时即可与5056外壳内表面的氧化层反应，且为自发不可逆过程。

Mg(l)+1/3Al₂O₃(s)→MgO(s)+1/3Al(l)

kJ/mol                       (4)

之后所形成的MgO与铝合金表面氧化膜Al₂O₃发生化学反应形成尖晶石MgO·Al₂O₃，其化学反应式如下：

MgO(s)+Al ₂O₃(s)→MgO·Al₂O₃

kJ/mol                       (5)

该反应可以使5056外壳内表面的氧化膜发生脱落，进而促进AZ91镁合金熔体与新鲜(未氧化)的5056基体直接接触，在随后的凝固及冷却中直接进行热量传递及原子扩散反应。在无电磁搅拌情况下，由于反应层中AZ91合金侧至5056合金侧Mg含量逐渐降低， Al含量逐渐增加，因此凝固层呈现不同的组织形貌：靠近镁合金一侧形成Mg₁₇Al₁₂ ，靠近铝合金一侧形成Mg₂Al₃。对铸锭施加电磁搅拌后，内层AZ91熔体在电磁力的作用下发生强迫对流，顺时针旋转的熔体反复冲刷5056铝合金凝壳，铝镁之间发生化学反应，反应产物在电磁力的驱动下进入铸锭心部，随着电磁搅拌的进行熔体的温度会长时间高于铝镁共晶反应温度(437 ℃)，这样铝镁反应时间大大增加，铝壳不断被重熔，反应产物不断被分配到铸锭内层各处，最终导致铸锭内层全部生成Mg₂Al₃。

对比电磁搅拌对3003/4004和5056/AZ91两种复合材料的影响，可以看出，对于不会发生化学反应的3003/4004合金，电磁搅拌可以细化内部4004合金凝固组织，进而改善3003/4004复合材料界面组织性能；而对于发生化学反应的5056/AZ91合金，电磁搅拌加速了铝镁之间的反应，使得金属间化合物区域增大。

3  结论

1) 在未加电磁搅拌及施加80 V电磁搅拌的情况下，成功制得界面复合良好的3003/4004铝合金复层材料，经过电磁搅拌处理的铸坯，其心部晶粒组织比相同条件下未经电磁搅拌处理的铸坯组织更为细小。

2) 当外层为5056铝合金，内层为AZ91镁合金时，未施加电磁搅拌时5056与AZ91的过渡层几乎全部为金属间化合物，靠近5056铝合金一侧为Mg₂Al₃，靠近AZ91镁合金一侧为Mg₁₇Al₁₂；当施加80 V电磁搅拌时，电磁力所引起AZ91熔体强迫流动反复冲刷外层5056凝壳导致重熔，大量铝元素被卷入铸锭内部与未凝固的镁合金熔体混合，使得复层铸锭从界面到心部都生成Mg₂Al₃。

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(编辑  李艳红)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51074031，51071035)；高等学校博士点专项科研基金资助项目(20100041110030)

收稿日期：2012-06-11；修订日期：2013-01-04

通信作者：曹志强，教授，博士；电话：13941191184；E-mail: caozq@dlut.edu.cn