DOI: 10.11817/j.ysxb.1004.0609.2020-37683

交变磁场-真空差压协同场下ZL205A合金θ(Al₂Cu)相的生长特性

黄朋朋，芦  刚，严青松，罗贵敏

(南昌航空大学 轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室，南昌 330063)

摘 要：

采用SEM和XRD等手段，分析励磁电流和凝固压力对ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相的生长取向及形貌的影响，探讨交变磁场-真空差压协同场下ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相的生长特性。结果表明，交变磁场-真空差压协同作用对ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相的生长取向以及形貌的影响显著。随着励磁电流的增大，ZL205A合金的择优生长取向面(110)、(211)、(112)、(310)和(202)逐渐被抑制，当励磁电流增加至10 A时，(112)晶面已经完全被抑制，同时ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相形貌出现了粗化现象；当励磁电流超过10 A增加至15 A时，θ(Al₂Cu)相的择优生长取向只剩(110)和(211)两个晶面，其他生长取向被完全抑制，而大部分θ(Al₂Cu)相组织由连续的树枝网络状转变为细小的碎片状；随着凝固压力的增加，ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相的主要择优生长取向面(110)、(211)、(112)和(202)被逐渐抑制，θ(Al₂Cu)相的细化效果越来越显著；励磁电流为15 A、凝固压力为350 kPa时，交变磁场与凝固压力协同作用效果最佳。

关键词：

交变磁场；凝固压力；θ(Al2Cu)相；生长取向；形貌；

文章编号：1004-0609(2020)-11-2540-10　　     中图分类号：TG249.6　　     文献标志码：A

ZL205A合金由于其具有低密度、高强度以及良好的耐腐蚀性等性能，广泛应用于航空、航天及汽车工业等相关领域^[1-3]。然而，大型ZL205A合金铸件中普遍存在无法避免的Cu元素偏析，其偏析组织为共晶组织，由θ(Al₂Cu)相和α(Al)相构成^[4]。在常规铸造条件下，ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相极易形成连续的网状甚至粗大的骨骼状组织，严重割裂了ZL205A合金的基体组织，降低了铝合金的力学性能，特别是伸长率^[5]。因此，采用新的铸造技术来细化ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相以及基体组织，同时控制θ(Al₂Cu)相的分布及生长方向，从而达到提高ZL205A合金综合性能的效果。

目前，大部分研究学者通过在合金熔体中添加细化剂或者变质剂的方法来细化合金组织^[6-8]，但由于添加细化剂和变质剂会对环境造成严重的污染，因而受到国内外研究学者的广泛质疑。超声、电磁以及压力等物理场处理因具有高效、无污染以及能够有效细化合金组织等优点被越来越多的专家学者关注^[9-11]。其中在铸造过程中施加交变磁场相对较为突出，交变磁场与感应电流的交互作用能够产生电磁力，并在熔体中引发熔体强制对流和反复震荡，在细化晶粒、减少铸造偏析缺陷及改善铝合金铸件表面质量等方面效果显著，具有其他化学、机械以及物理场等熔体处理技术无法比拟的优点^[12-16]。STEINBACH等^[17]发现旋转磁场能明显改变Al-Si-Mg合金的铸态组织。ZHANG等^[18]认为磁场可以降低合金元素在晶界处的析出,且频率越低,作用越明显。LIM等^[19]研究发现，在使用电磁搅拌之后，铸造所得合金的初生相较未使用前会变得更加细小、圆整。但是已有的交变磁场处理在铸造中的应用主要集中在研究单一场交变磁场的作用，虽然施加交变磁场能够改善合金的组织和性能，但单一场的作用效果有限，无法充分细化晶粒。真空差压铸造是一种低压充填、高压凝固的反重力铸造技术，由于在凝固过程中受到高压场的作用，可以获得性能良好的铸件^[20-22]。相关研究结果表明^[23-24]，在压力下凝固时，压力可以使合金熔体通过凝固枝晶间的狭窄通道向孔隙间流动，存在一种挤渗作用。从理论上来讲，在真空差压铸造工艺中施加交变磁场，铝合金熔体会受电磁力与凝固压力场的协同作用，电磁力引发的熔体强迫对流与凝固压力产生的挤渗流互相融合促进，或将使金属液在铝合金铸件凝固过程产生更加强劲的挤渗，进一步改善铸件的微观组织。

因此，本文作者以ZL205A合金为研究对象，结合交变磁场和真空差压铸造的优点，制备交变磁场-真空差压协同铸造ZL205A合金试样，并借助SEM和XRD技术，分析ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相的生长取向和形貌的变化规律，研究交变磁场-真空差压协同场下ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相的生长特性，为获得组织致密、晶粒细小且力学性能优异的精密铝合金铸件提供良好的理论指导和技术支撑。

1  实验

采用南昌航空大学自主研制的VCPC型真空差压铸造设备，并在此设备的基础上引入交变磁场发射器，设备示意图如图1所示。当真空差压铸造抽真空结束时，开启交变磁场发射器，使其在充型、升压以及保压阶段持续施加交变磁场，直到卸压阶段再关闭交变磁场发射器，实施交变磁场-真空差压协同作用，交变磁场协同真空差压铸造工艺曲线如图2所示。试样采用外形尺寸为d 30 mm×150 mm的圆棒，铸型由酚醛树脂覆膜砂制成，预热温度设为120 ℃，合金为ZL205A，浇注温度设为720 ℃，分别采用真空度为20 kPa、充型压差为50 kPa、保压时间为180 s、励磁电流(0、5、10和15 A)、凝固压力(250、300和350 kPa)等工艺参数浇注真空差压铸造ZL205A合金试样。

在交变磁场-真空差压协同铸造ZL205A合金试样相同位置分别取样，经研磨、抛光后，采用Keller试剂(1 mL HF+1.5 mL HCl+2.5 mL HNO₃+95 mL H₂O)对试样进行腐蚀，腐蚀时间为10~15 s。采用型号为Bruker D8 Discover型的X射线衍射仪进行试样生长取向度测试，采用型号为Quanta 200型扫描电子显微镜对试样中θ(Al₂Cu)相的形貌进行观察。

图1  交变磁场-真空差压协同铸造设备图

Fig. 1  Alternating magnetic field-vacuum counter-pressure synergistic casting equipment

图2  交变磁场协同真空差压协同作用工艺曲线

Fig. 2  Process graph of synergistic action between alternating magnetic field and vacuum counter-pressure

2  结果与分析

2.1  交变磁场-真空差压协同场对ZL205A合金中Al₂Cu相生长取向的影响

图3  协同场下凝固压力和励磁电流对试样XRD谱的影响

Fig. 3  Effects of solidification pressure and excitation current on XRD patterns of samples under synergistic field

图3所示为在15 A和350 kPa下随着凝固压力和励磁电流的变化ZL205A合金试样同一部位的XRD谱。从图3中可以看出，交变磁场协同真空差压铸造ZL205A合金物相主要由α(Al)相和θ(Al₂Cu)相组成，α(Al)相的主要生长晶面主要有(111)、(200)、(220)和(311)，θ(Al₂Cu)相的生长晶面主要有(110)、(211)、(112)、(310)和(202)。但凝固压力和励磁电流对α(Al)相择优生长取向的影响较小，而对试样组织中θ(Al₂Cu)相的生长取向具有显著的影响。当励磁电流一定时，θ(Al₂Cu)相的择优生长取向随着凝固压力的增大而逐渐减弱。当凝固压力为250 kPa时，试样中θ(Al₂Cu)相的择优取向衍射强峰为(110)、(211)、(112)和(202)，且(110)为最强峰；随着凝固压力增加到300 kPa时，试样中θ(Al₂Cu)相的择优生长取向衍射强峰基本消失，尤其是衍射强度较弱的(112)和(202)晶面；随着凝固压力逐渐增加到350 kPa，θ(Al₂Cu)相择优取向衍射峰强度完全被抑制。当凝固压力一定时，θ(Al₂Cu)相的择优生长取向随着励磁电流的增大也在逐渐减弱。当励磁电流为0 A时，θ(Al₂Cu)相的择优取向衍射强峰为(110)、(211)、(112)、(310)和(202)，与交变磁场重力铸造时试样中θ(Al₂Cu)相的择优取向基本一致；随着励磁电流逐渐增加，在5~10 A时，θ(Al₂Cu)相的择优取向衍射强峰基本消失，当励磁电流增加到10 A时，(112)晶面已经完全被抑制；当励磁电流增加到15 A时，θ(Al₂Cu)相的择优生长取向只剩(110)和(211)两个晶面，其他生长取向也完全被抑制。由此可知，随着凝固压力和励磁电流逐渐增大，θ(Al₂Cu)相的择优生长取向逐渐减弱，且凝固压力和励磁电流越大，减弱效果越强烈。

2.2  交变磁场-真空差压协同场对Al₂Cu相生长形貌的影响

图4所示为重力铸造条件下ZL205A合金试样中θ(Al₂Cu)相的SEM像。从图4中可以看出，未施加交变磁场条件下，重力铸造ZL205A合金试样中θ(Al₂Cu)相主要为粗大的网状或骨骼状组织，且团聚现象极为严重。

图5所示为凝固压力在350 kPa时不同励磁电流条件下制备的ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相的SEM像。

图4  重力铸造下ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相形貌

Fig. 4  Morphology of θ(Al₂Cu) phase in ZL205A alloy under gravity casting

从图5中可以看出，在凝固压力和交变磁场的协同作用下，ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相的形貌发生了明显的变化；当凝固压力为350 kPa时，随着励磁电流强度的增大，θ(Al₂Cu)相先变得粗大，而后逐渐被细化。当励磁电流为0 A时，交变磁场-真空差压协同铸造ZL205A合金试样与重力铸造条件下ZL205A合金试样相比，θ(Al₂Cu)相的形貌并没有发生本质的变化，两种试样中θ(Al₂Cu)相大部分呈连续网状和树枝状，且存在明显的团聚现象；当励磁电流为5 A时，由于励磁电流强度较小，交变磁场对θ(Al₂Cu)相的作用并不是很明显，此时试样中θ(Al₂Cu)相形貌与未施加励磁电流时制备的试样中θ(Al₂Cu)相形貌几乎相似；当励磁电流为10 A时，试样中θ(Al₂Cu)相的形貌出现了粗化现象，虽然θ(Al₂Cu)相形貌特征并未发生明显改变，但是骨架变得更加粗大；然而，当励磁电流增加到15 A时，试样中θ(Al₂Cu)相形貌得到充分细化，可以看出，试样中θ(Al₂Cu)相的连续网络骨架数量明显减少，大部分θ(Al₂Cu)相呈细小散乱的碎片状，虽然组织中仍然存在网络骨架状的θ(Al₂Cu)相组织，但总体上看θ(Al₂Cu)相的形貌已经得到显著改善。

图6所示为励磁电流在15 A时不同凝固压力条件下制备的ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相的SEM像。从图6中可以看出，当励磁电流为15 A时，随着凝固压力的增大，试样中θ(Al₂Cu)相的形貌发生了明显的改变，由连续的网络骨架状逐渐向细小散乱的碎片状转变。当凝固压力为250 kPa时，试样中大量θ(Al₂Cu)相组织以连续的网络骨架状存在；当凝固压力为300 kPa时，试样中θ(Al₂Cu)相偏析组织形貌只是略微有所改善，虽然极少部分θ(Al₂Cu)相被细化，但细化效果并不明显，大部分θ(Al₂Cu)相仍然为连续的网络骨架状；当凝固压力为350 kPa时，试样中θ(Al₂Cu)相的形貌发生了显著改变，大部分发达的θ(Al₂Cu)相枝晶骨架被破碎，转变成了细小的碎片状，θ(Al₂Cu)相组织得到了较大程度的细化。

2.3  分析与讨论

图7所示分别为重力铸造、交变磁场重力铸造、真空差压铸造和交变磁场-真空差压协同铸造ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相的SEM像。由图7可以看出，在ZL205A合金熔体凝固过程中施加交变磁场或凝固压力可以显著改善组织中θ(Al₂Cu)相的形貌。图7(a)所示为重力铸造条件下θ(Al₂Cu)相的形貌，可以看出，ZL205A合金试样中θ(Al₂Cu)相主要为发达的连续网状、树枝状或骨骼状组织，网状曲线线条之间近似平行，且存在明显的团聚现象。图7(b)所示为单独施加交变磁场条件下θ(Al₂Cu)相的形貌，可以看出，此时更多的θ(Al₂Cu)相组织得到细化，以细小散落的碎片状或近球状存在，虽然仍存在骨骼状的θ(Al₂Cu)相组织，但θ(Al₂Cu)相得到了较大的细化。图7(c)所示为真空差压铸造条件下θ(Al₂Cu)相的形貌，可以看出，真空差压铸造ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相的形貌与重力铸造大致相似，并未产生明显的变化，这说明凝固压力并不会对凝固后期析出的θ(Al₂Cu)相组织产生破碎细化作用。图7(d)所示为交变磁场-真空差压铸造条件下θ(Al₂Cu)相的形貌，可以看出，θ(Al₂Cu)相的形貌和大小发生了明显变化，大部分发达的θ(Al₂Cu)相枝晶骨架被破碎，转变成了细小的碎片状。进一步测试并比较其力学性能发现，在重力铸造条件下，试样的抗拉强度为350.54 MPa，伸长率为0.74%；当单独施加15 A的励磁电流时，试样的抗拉强度为352.75 MPa，伸长率为1.37%；当单独施加350 kPa的凝固压力时，试样的抗拉强度为391 MPa，伸长率为3.14%；而在交变磁场-真空差压协同作用下，试样的抗拉强度为414.39 MPa，伸长率达到3.71%，力学性能达到最佳。因此，在ZL205A合金熔体凝固过程中，施加交变磁场和凝固压力能够改善组织中θ(Al₂Cu)相的形貌和大小，并提高铝合金的力学性能。

图5  协同场下不同励磁电流制备的ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相的SEM像

Fig. 5  SEM images of θ(Al₂Cu) phase in ZL205A alloy prepared at different excitation currents in synergistic field

图6  协同场下不同凝固压力制备的ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相的SEM像

Fig. 6 SEM images of θ(Al₂Cu) phase in ZL205A alloy prepared at different solidification pressures in synergistic field

图7  不同外场作用下ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相的SEM像

Fig. 7  SEM images of θ(Al₂Cu) phase in ZL205A alloy under different external fields

图8所示为重力铸造和交变磁场-真空差压协同铸造ZL205A合金试样断口形貌。从图8中可以看出，重力铸造ZL205A合金断口形貌特征为典型的晶间脆性断裂，断口上原始粗大的晶粒轮廓清晰可见，只存在少量细小韧窝，此时试样塑性极差；与重力铸造相比，交变磁场-真空差压协同铸造ZL205A合金断口形貌中韧窝数量显著增加，且韧窝较深，尺寸较大，说明协同铸造条件下ZL205A合金的塑性显著高于重力铸造条件下合金的塑性。

图8  重力铸造及交变磁场-真空差压协同铸造ZL205A合金试样断口形貌

Fig. 8  Fracture morphologies of gravity casting and alternating magnetic field-vacuum counter-pressure synergistic casting ZL205A alloys

SPITZER等^[25]通过研究发现，处于交变磁场中的合金熔体内部任一单元体会在电磁力的影响下受到切向力的作用，其计算公式如式(1)所示：

                      (1)

式中：为切向电磁力分量；B₀为熔体边界处磁感应强度；为角速度；为切线速度；为电导率；r为半径。

此外，交变磁场与感应电流的交互作用将会对金属液产生震荡作用，电磁震荡分量如式所示^[26]：

          (2)

式中：为磁Prandtl数；Ha为Hartmann数；为磁感应强度B的复振幅；为交变电流的角频率；t为时间，s。

由式(1)和式(2)可知，首先，交变磁场与其感应电流交互作用引发的电磁力会使得ZL205A合金在充型和凝固过程中受到两种影响，即沿垂直方向的电磁力会促使熔体边缘金属液呈环形流动而引发熔体的强制对流，在垂直方向上的有旋分量引起涡流形成的强制对流将对金属液产生搅拌作用；其次，电磁力方向交替变化将对金属液产生振荡作用，电磁振荡力的存在不仅使熔体内部出现共振效应从而迫使金属液流动，还将对金属液进行反复的拉伸和压缩，提高熔体对高温化合物及原子团的润湿条件，降低了以高温化合物及其他原子团为异质形核质点的形核临界自由能，使形核率增加。

因此，当在ZL205A合金熔体凝固过程中施加交变磁场-真空差压协同作用时，电磁力产生的强制对流和反复震荡在凝固压力的作用下将会产生更加强烈的作用。当未施加任何外场作用时，晶界处的共晶θ(Al₂Cu)相主要呈现为发达的连续网状、树枝状或骨骼状，且存在明显的团聚现象，当铸件完全凝固后，这些粗大的连续网状θ(Al₂Cu)相严重割裂基体，大大降低了合金的综合力学性能；当在ZL205A合金熔体凝固过程中施加交变磁场-真空差压协同作用时，由于受到电磁力与压力的共同作用，在铝合金凝固中后期，θ(Al₂Cu)相已经在晶界处大量析出，此时，电磁力产生的剧烈强制对流和反复震荡一并作用在θ(Al₂Cu)相中，随着励磁电流的逐渐增强，电磁搅拌力和振荡力显著得到提升，对金属液起到了有效的搅拌作用，使得初生Al₂Cu枝晶骨架发生碎断，促进了离异共晶生长，导致θ(Al₂Cu)相转变为细小碎片状。

3  结论

1) 在交变磁场-真空差压协同作用下，随着励磁电流的增大，ZL205A合金的择优生长取向面(110)、(211)、(112)、(310)和(202)逐渐被抑制，当励磁电流增加至10A时，(112)晶面已经完全被抑制；当励磁电流超过10 A增加至15 A时，θ(Al₂Cu)相的择优生长取向只剩(110)和(211)两个晶面，其他生长取向被完全抑制；随着凝固压力的增加，ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相的主要择优生长取向面(110)、(211)、(112)和(202)被逐渐抑制。

2) 在交变磁场-真空差压协同作用下，随着励磁电流的逐渐增大，ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相先变得粗大，当励磁电流增加到10 A时，θ(Al₂Cu)相组织才逐渐开始细化；随着凝固压力的增加，θ(Al₂Cu)相的细化效果越来越显著。

3) 交变磁场-真空差压协同作用对ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相的生长取向和形貌的影响显著；励磁电流为15 A、凝固压力为350 kPa时，交变磁场与凝固压力协同作用效果最佳。

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Growth characteristics of θ(Al₂Cu) phase in ZL205A alloy under synergistic field between alternating magnetic field and vacuum counter-pressure

HUANG Peng-peng, LU Gang, YAN Qing-song, LUO Gui-min

(National Defence Key Discipline Laboratory of Light Alloy Processing Science and Technology Institute, Nanchang Aeronautical University, Nanchang 330063, China)

Abstract: The effects of excitation current and solidification pressure on the growth orientation and morphology of θ(Al₂Cu) phase in ZL205A alloy were analyzed by means of SEM and XRD. The growth characteristics of θ(Al₂Cu) phase in ZL205A alloy under alternating magnetic field-vacuum counter-pressure were investigated. The results show that the synergistic effect of alternating magnetic field-vacuum counter-pressure on the growth orientation and morphology of θ(Al₂Cu) phase in ZL205A alloy is significant. With the increase of excitation current, the preferred growth orientation planes (110), (211), (112), (310) and (202) of ZL205A alloy are gradually suppressed. When the excitation current is increased to 10A, the (112) crystal plane is completely suppressed, and the θ(Al₂Cu) phase morphology in ZL205A alloy is coarsened. When the excitation current exceeds 10 A and increases to 15 A, the preferred growth orientations of θ(Al₂Cu) phase are only (110) and (211), and the other growth orientations are completely suppressed. And most of the θ(Al₂Cu) phase structure changes from a continuous branch network to a fine fragment. With the increase of solidification pressure, the main growth preferred orientation planes (110), (211), (112) and (202) of θ(Al₂Cu) phase in ZL205A alloy are gradually suppressed, and the refinement effect of θ(Al₂Cu) phase is more remarkable. Meanwhile, the optimal synergistic effect is obtained when the excitation current is 15 A and solidification pressure is 350 kPa.

Key words: alternating magnetic field; solidification pressure; θ(Al₂Cu) phase; growth orientation; morphology

Foundation item: Project(51861027) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (20181BCB19001) supported by the Advantage Science and Technology Innovation Team Key Project of Jiangxi Province, China

Received date: 2019-12-02; Accepted date: 2020-05-28

Corresponding author: LU Gang; Tel: +86-791-86453167; E-mail: aimulalg@163.com

(编辑  何学锋)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51861027)；江西省优势科技创新团队重点项目(20181BCB19001)

收稿日期：2019-12-02；修订日期：2020-05-28

通信作者：芦  刚，副教授，博士；电话：0791-86453167；E-mail：aimulalg@163.com

摘  要：采用SEM和XRD等手段，分析励磁电流和凝固压力对ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相的生长取向及形貌的影响，探讨交变磁场-真空差压协同场下ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相的生长特性。结果表明，交变磁场-真空差压协同作用对ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相的生长取向以及形貌的影响显著。随着励磁电流的增大，ZL205A合金的择优生长取向面(110)、(211)、(112)、(310)和(202)逐渐被抑制，当励磁电流增加至10 A时，(112)晶面已经完全被抑制，同时ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相形貌出现了粗化现象；当励磁电流超过10 A增加至15 A时，θ(Al₂Cu)相的择优生长取向只剩(110)和(211)两个晶面，其他生长取向被完全抑制，而大部分θ(Al₂Cu)相组织由连续的树枝网络状转变为细小的碎片状；随着凝固压力的增加，ZL205A合金中θ(Al₂Cu)相的主要择优生长取向面(110)、(211)、(112)和(202)被逐渐抑制，θ(Al₂Cu)相的细化效果越来越显著；励磁电流为15 A、凝固压力为350 kPa时，交变磁场与凝固压力协同作用效果最佳。