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提升ZL205A鋁合金鑄件力學性能的探究

鄭強強 發表于2019/12/27 23:05:11 勵磁電流真空差壓鑄造合金晶粒

原標題:勵磁電流-凝固壓力協同對真空差壓鑄造ZL205A合金晶粒尺寸的影響

摘要:通過測試交變磁場-凝固壓力協同場下ZL205A合金晶粒尺寸,研究交變磁場-凝固壓力協同場對ZL205A合金晶粒尺寸的影響機理。結果表明,在凝固壓力不變情況下,隨著勵磁電流強度增加,ZL205A合金試樣的平均晶粒尺寸先增大后減小;隨著凝固壓力增大,當勵磁電流強度小于10 A時,交變磁場-凝固壓力的協同作用將促進合金晶粒生長,平均晶粒尺寸增大;而當勵磁電流大于10 A時,交變磁場-凝固壓力的協同作用將抑制晶粒長大,平均晶粒尺寸減小。

ZL205A合金因強度高、密度低、易于加工等優點,已被廣泛應用于航空、航天及汽車工業領域。但其結晶溫度范圍較寬,易產生縮松缺陷,凝固組織粗大,嚴重降低了綜合性能。如何改善凝固組織,提升鑄件的綜合力學性能,成為了研究者關注且亟須解決的問題之一。

真空差壓鑄造是在真空狀態下實現低壓充型、高壓結晶的一種反重力精密成形工藝。在真空差壓鑄造工藝下,較高的凝固壓力驅使鋁合金液通過枝晶間的狹窄通道向補縮區流動,這種驅動力稱之為為擠滲流作用,擠滲流作用于枝晶臂使其彎曲甚至斷裂而形成二次晶核,形核率提高,細化晶粒尺寸。而電磁鑄造技術由于操作方便、不改變合金成分、成本低等特點已被大量應用于鋁合金的成形工藝中。研究表明,在50 Hz的交變磁場作用于鋁合金熔體中,交變磁場與感應電流的交互作用所產生的電磁力使得熔體內部產生劇烈的強制對流和反復振蕩,迫使金屬液快速流動,從而顯著改善合金的微觀組織。通過研究交替變向電磁場強度對ZL205A合金微觀組織的影響,發現磁場強度是改善鋁合金凝固組織的關鍵因素之一,合金平均晶粒尺寸隨著磁場強度的增加而減小。

從理論上講,凝固壓力產生的擠滲流作用與交變磁場引發的熔體強制對流相互融合促進,勢必將會對ZL205A合金微觀組織產生較大的影響。因此,本課題采用真空差壓鑄造設備并引入交變磁場發射器,探究勵磁電流強度與凝固壓力對ZL205A合金晶粒尺寸的影響規律及機理,為實現生產綜合力學性能優良的鋁合金鑄件提供參考。

1、試驗材料與方法

試驗采用ZL205A合金,其成分見表1。采用自主研發的VCPC-I型真空差壓鑄造設備,并在交變磁場下進行試驗,見圖1。真空差壓設備抽真空后開啟交變磁場發射器,通過充型、升壓、保壓階段直至卸壓階段關閉交變磁場發生器。試樣為Φ30 mm×150 mm的圓棒,采用酚醛樹脂覆膜砂造型,鑄型尺寸為125 mm×125 mm×250 mm,鑄型預熱溫度為120 ℃。試驗采用真空度為20 kPa、保壓時間為120 s、壓差為30 kPa、澆注溫度為720 ℃、勵磁電流為0、5、10、15A,不同凝固壓力為250、300、350kPa。

表1:ZL205A合金的化學成分 wb/%

1.上罐 2.交變磁場發射器 3.鑄件 4.隔板 5.下罐 6.升液管 7.熔煉金屬液 8.調節閥 9.真空泵
10.下儲氣罐 11.上儲氣罐 12.開關閥 13.進氣管 14.酚醛樹脂覆膜砂鑄型

圖1:協同鑄造設備圖

交變磁場-真空差壓協同鑄造的合金沿底部、中部、上部各取一個試樣,編號為1、2、3號,見圖2。試樣經研磨、拋光后,采用Keller試劑(1 mL的HF+1。5 mL的HCl+2。5 mL的HNO3+95 mL的H2O)將其腐蝕,通過光學顯微鏡(EMO)觀察微觀組織并依據GB/T6394-2002測試合金平均晶粒度,利用金相分析軟件中的三圓截點法得到不同工藝參數條件下ZL205A合金的平均晶粒尺寸。

圖2:鑄件取樣圖

2、試驗結果與分析

2.1 勵磁電流對真空差壓鑄造ZL205A合金晶粒尺寸的影響

在交變磁場-真空差壓協同作用下,不同勵磁電流強度對1、2、3號位置平均晶粒尺寸的變化規律,見圖3。

圖3:不同勵磁電流對相同凝固壓力下試樣平均晶粒尺寸的影響

圖4:試樣1號位置在凝固壓力為350kPa時不同勵磁電流強度下的微觀組織

從圖3可以看出,在相同凝固壓力條件下,隨著勵磁電流的增加,1、2、3號位置試樣平均晶粒尺寸先增大后減小,呈現倒“V”字形的變化規律。圖4是試樣1號位置在凝固壓力為350 kPa、不同勵磁電流強度條件下的微觀組織。可以看出,當無勵磁電流強度時,存在部分細小圓整的等軸晶,試樣平均晶粒尺寸為83.84 μm;隨著電流強度增加,細小圓整的晶粒明顯減少,α-Al相晶粒開始變得粗大,且存在側向分枝的趨勢;當勵磁電流強度繼續增加到10 A時,α-Al晶粒變得極為粗大,平均晶粒尺寸達到最大值106.22 μm;但當勵磁電流強度增大到15 A時,粗大的不規則晶粒明顯減少,晶粒逐漸細化并轉變成圓整度高的近球狀且分布也比較均勻,平均晶粒尺寸為78.25 μm。

金屬液在充滿型腔時導入交變磁場,熔體內部將產生電磁力,由于“集膚效應”的存在,金屬液在凝固過程中受到約束,沿徑向的電磁力有旋分量促使熔體邊緣金屬液呈環形流動而引發了熔體的強制對流,對熔體起到攪拌的作用;此外,電磁力交替變化作用產生振蕩,電磁振蕩力的存在使熔體內部出現共振效應從而迫使金屬液流動。然而,交變磁場的施加過程中熔體將出現焦耳熱效應,勵磁電流強度與焦耳熱的關系式為:

式中,Q為線圈產生的焦耳熱;N為線圈匝數;R為線圈半徑;t為通電時間;h為線圈總長度;σ為線圈的電導率;I0為線圈中勵磁電流強度;ω為交變電流的角頻率;μ0為真空中的磁化率。

由式(1)可知,在凝固過程中熔體內部產生的焦耳熱隨勵磁電流強度的提升而增多。因此,當勵磁電流強度小于10 A時,交變磁場與感應電流交互作用引發的電磁力較小,熔體強制對流作用減弱無法迫使熔體快速流動,同時熔體內部產生的焦耳熱使得熔體整體過冷度降低,凝固時間增加,晶粒充分生長而變得粗大,平均晶粒尺寸增大。當勵磁電流強度大于10 A時,電磁力產生的電磁攪拌及電磁振蕩效果加強從而加速金屬液的流動,電磁力引發熔體的強迫對流作用所形成的切應力將會促使枝晶臂出現扭曲彎折現象。當金屬液受迫運動形成的切應力大于晶粒根部強度時,枝晶臂斷裂形成二次晶核并分散于熔體中,提高形核率,晶粒細化。與此同時,金屬液的快速流動、晶粒間的相互碰撞及金屬液對晶粒的強烈沖擊作用使得熔體溫度場與溶質場處于相對均勻的環境中,有利于熔體的熱量迅速消散而削弱了焦耳熱效應的影響,成分過冷的現象也得到改善,樹枝晶生長條件受到制約,晶粒趨于各向同性而非擇優方向生長,晶粒變得越發圓整,分布均勻。

2。2 凝固壓力對交變磁場作用下ZL205A合金晶粒尺寸的影響

在交變磁場-真空差壓協同作用下,不同凝固壓力對相同勵磁電流強度條件下1、2、3號位置平均晶粒尺寸變化見圖5。

圖5:不同凝固壓力對相同勵磁電流下試樣平均晶粒尺寸的影響

圖6:試樣1號位置在勵磁電流強度為15A時不同凝固壓力的微觀組織

從圖5可以發現,未施加交變磁場及勵磁電流強度大于10 A時,試樣平均晶粒尺寸均隨著凝固壓力的增大而減小;而當勵磁電流強度小于10 A時,隨著凝固壓力增大,試樣平均晶粒尺寸增大。圖6是勵磁電流強度為15 A,試樣1號位置不同凝固壓力條件下的微觀組織。當凝固壓力由250 kPa增加到300 kPa時,α-Al 相晶粒形貌未出現顯著變化,圓整球狀晶粒較少,大部分呈不規則薔薇狀,但晶粒開始細化,平均晶粒尺寸由86.84 μm減小到83.35 μm;當凝固壓力增加到350 kPa時,圓整的近球狀晶粒明顯增多,晶粒細化效果最佳,平均晶粒尺寸達到78.25 μm。

當勵磁電流強度為0,只有單一凝固壓力場時,試樣平均晶粒尺寸隨凝固壓力增大而減小,這是因為在強勁的擠滲流作用下,熔體內部發生流動,鑄型內壁先行凝固的表層晶區晶粒發生折斷及脫落形成二次晶核隨金屬液的流動而四處游離,提高了形核率。與此同時,凝固壓力的增加將大大減緩了晶體的生長速度,鋁合金在壓力下的晶體生長速度為:

式中,RP為壓力下晶體生長速度;RP0為常壓下晶體生長速度;  為常壓下生長激活能;  為壓力下生長激活能;Rg為氣體常數; T為溫度。由于金屬液中的原子在壓力作用下其擴散能力減弱,從而促使原子擴散激活能及晶體的生長激活能 增大,由式(2)可知, 的增大導致晶體生長速度RP減小,對晶粒細化起到了一定的改善。然而,當勵磁電流強度小于10 A時,試樣平均晶粒尺寸隨凝固壓力增大而增大,這是因為交變磁場與感應電流所產生的電磁力較小而無法觸發熔體內部的強制對流,此時熔體內部的焦耳熱效應在凝固過程中占主導地位,一方面,隨著凝固壓力增加,擠滲流作用顯著提升,升液管內的更多高溫金屬液滲透至熔體內部,金屬液凝固速度降低,增加了交變磁場對熔體的有效交互時間,產生更多焦耳熱,此刻焦耳熱效應使得晶粒尤為粗大,晶粒根部強度大大提高,即使是強勁的擠滲流也不易使晶粒折斷,從而減少了形核質點;另一方面,焦耳熱效應的存在使得金屬液整體過冷度降低,原子擴散能力增強,極大地減緩了凝固壓力對晶體生長速度的影響,加速了晶體生長速度,α-Al相晶粒變得粗大,平均晶粒尺寸增大。當勵磁電流強度大于10 A時,電磁力顯著提升從而產生強烈的攪拌效果,熔體內部焦耳熱效應及其作用時間被削弱,限制了鋁合金晶體的生長速率,晶粒來不及長大而變得細小;此外,電磁力的電磁攪拌及電磁振蕩與凝固壓力的擠滲流作用共同疊加,隨著凝固壓力增大,交變磁場與凝固壓力產的疊加力愈發強勁,加劇流動金屬液對晶體的沖擊,不僅令更多的枝晶臂斷裂形成二次晶核,甚至金屬液在凝固初期形成的枝晶骨架也可能被沖斷,導致更多的細小晶粒游離在熔體內部,大大提升形核率,細化晶粒,故平均晶粒尺寸明顯減小。

3、結論

(1)交(1)交變磁場-真空差壓協同作用下,隨著勵磁電流強度增加,α-Al相晶粒開始粗大化,在勵磁電流強度為10 A時平均晶粒尺寸最大;而當勵磁電流強度大于10 A時α-Al相晶粒明顯細化,并在勵磁電流強度為15 A時,平均晶粒尺寸最小。

(2)隨著凝固壓力增大,當勵磁電流強度小于10 A時,交變磁場-凝固壓力的協同作用將促進ZL205A合金晶粒生長,平均晶粒尺寸增大;而勵磁電流強度大于10 A時,交變磁場-凝固壓力的協同作用將抑制晶粒長大,平均晶粒尺寸減小;在勵磁電流強度為15 A和凝固壓力為350 kPa的協同場下,ZL205A合金試樣平均晶粒尺寸達到最小值,為78.25μm。

作者:鄭強強,蘆剛 ,嚴青松,劉慧,羅貴敏
南昌航空大學 輕合金加工科學與技術國防重點科學實驗室

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