铝合金凝固组织的细化方法和机理概述

目前，铝型制品在工业中需求量逐渐增加，是因为铸造铝合金的密度比铸铁和铸钢小，而比强度则较高，熔点低，液态流动性能良好。因此在要求承受相同载荷条件下，采用铸造铝合金可以减轻设备的重量，所以在现代航天航空工业及动力设备和交通运输设备制造中，铸造铝合金得到了广泛的应用。

人们在常年的研究当中认识到，细化晶粒是改善金属材料性能的最有效、最直接的方法。孕育是铸造金属晶粒细化的重要手段。传统的孕育处理方法是在液态金属中加入孕育剂或变质剂，通过试剂与金属液发生反应有的生成了异质形核的核心，这种反应增加了金属的形核率，同时部分试剂则分布于晶界处，使晶核难以继续长大，以实现细化晶粒的目的。但这种传统的处理方法有着一定的缺陷：存在污染并且孕育处理时效产生。

我们为了得到性能优良的铝材，细化晶粒是改善铝合金质量的一种重要方法，为了获得铸造金属最佳的性能，我们需要把晶粒控制为细小均匀的等轴晶。为了获得这一最佳特征，可以采用多种方法进行晶粒细化，包括以下三个方面：1、机械物理细化晶粒法；2、物理场细化晶粒法；3、化学细化晶粒法。

1  机械物理细化晶粒法

实验证明，金属的晶粒尺寸与晶粒的成核速率和晶粒长大速率密切相关。为了获得细晶粒尺寸的金属，我们需要控制成核率大于晶粒尺寸，相反，我们将获得粗晶粒金属。相关实验还表明，过冷度影响晶粒的成核速率和晶核的生长速率，成核速率和生长速率随过冷度的增加而增加。如果过冷度持续增大到一定程度时，晶核的长大速度将小于晶粒的形核率，此时，就会出现明显的细化晶粒作用。

在铸造铝合金的制备的浇注和结晶过程中，采用机械物理（如机械振动，机械搅拌）是一种细化晶粒的方法。机械物理（振动和搅拌）为液态铝合金提供了充足的能量，以增加成核能力和增加晶粒的成核速率。同时，结晶晶体也受到机械物理（振动和搅拌）产生的对流冲击的影响。在这种作用下，晶体被破坏，破碎的晶体形成新的晶核。因此，晶粒细化是由于成核速率的增加而产生的。机械震动和机械搅拌是较为传统的两种方法，在工业生产中应用较广。但是，由于其操作控制具有一定难度，人为的影响因素比较大，因此在铸造铝合金中，尤其是在制备高品质的铝材工业生产中具有很大的缺陷。

2  物理场细化晶粒法

对金属凝固组织施加物理场的科学研究在20世纪30年代首先被提及出来，但当时科学技术的水平，无法支持物理场对晶粒细化作用的科学研究。直到20世纪末，世界的科学技术水平得到了飞速的发展，使得人们可以有效地制备出了超声波、电磁场和大功率电流等物理场，就目前来看，物理场可以有效地控制晶粒的尺寸，达到细化晶粒的作用，使金属产品的质量得到明细的改善。现阶段最主要的三种物理场细化晶粒的方法为：电流方向；磁场方向；超声波方向。

2.1  电流方向

60年代初期，W.GPFANN等,首先，研究了电场作用下的传输行为。1987年，MelTon.C.Fleming研究发现，采用高压电场对液态金属进行大电流放电处理，实验结果发现金属的组织得到明显的细化，得到具有光滑表面的准球状或球状的晶粒形貌。顾根达在实验中也发现在电流小于750安培，电压小于10千伏的作用下，铸态金属的组织也得到细化。1996年，Li Hui等人研究了Al-Si亚共晶合金的组织结构。实验结果表明，亚共晶铝合金的伸长率和拉伸强度在电流处理后明显改善。初级a-Al逐渐从粗树状枝上细化，最终形成粒状形态。

目前，在电场对铝及合金晶粒细化的影响领域，其细化机理有如下两种看法：（1）在铝熔体中存在着原子集团，对铝熔体施加电场后，迁移作用会产生，促使原子集团发生移动，在移动过程中原子集团势必会发生摩擦。此外，电场还削弱了原子团的电子云，从而有效地降低了电子云的屏蔽效应。因此在这种电场力和摩擦力的交互影响下，原子集团破碎成一个个更为小的原子集团，这些小原子集团将会成为潜在的固态晶核。从而我们所得到的晶胚尺寸就会较小，初生的晶核尺寸更小，形貌更细。（2）在对液态组织施加脉冲电流或交变电场的作用下，在金属溶体会产生脉冲磁场或交变磁场，熔体在磁场与电场的交互作用下出现了收缩作用，使得金属溶体被压缩，随之出现了冲击波，于是在收缩力与冲击波的作用下，树枝晶被反复的压缩和波动，促使其发生了碎断，从而小块晶粒得以形成，形核率得到显著的提高，从而晶粒细化的目的得以实现。

2.2  磁场方向

电磁处理技术作为一种操作方式简易且没有污染的工艺方式，在当今社会得到广泛的关注。从1974年，我国就开始了工业装置领域中的电磁铸造技术研究，经过常年的工业实践表明，金属的铸造胚胎在采用电磁铸造技术之后，其表面质量得以有效的改善，该技术有效的细化了晶粒和枝晶的间距，大大提高了我国机械的性能，在特需产品的生产领域得到广泛的应用，在我国铝及合金制品的生产和研究领域，涌现出一大批优秀的科研工作者。例如，1980年，在中国东北轻合金加工厂首次制备了铝合金锭电磁处理技术。訾冰涛的研究发现，强脉冲磁场可以显著改善LY12铝合金的晶粒尺寸。

2.2.1  超声波方向

超声处理对金属晶粒尺寸和形貌的影响受到人们的关注。在制备碳素钢的过程中，采用超声波处理，发现超声波处理能有效细化碳钢晶粒。而在连续铸造领域，Irsid在铸造过程中对液态组织采用超声波震动处理，处理结果表明，超声波震动明显的细化了碳钢的晶粒，而且超声波有效地控制了Al-Cu合金在连续铸造过程容易产生的表现偏析现象。李英龙等对Al-Si合金施加了最大功率为500W（可调），频率为20kHz的超声波，实验结果表明，当超声波处理在一定参数条件下（声强I=3.5W/m2)初生Si和共晶Si的显微组织是双重细化的。在超声波作用下，Si具有破碎的粒子状态。这种细晶强化有效地提高了合金的强度和塑性。因此，从各种实验结果来看，超声波处理是一种有效的细化铝及铝合金晶粒的方法。

总之，电流、磁场和超声波在铝合金凝固组织中的应用将使其晶粒细化。与传统的晶粒细化技术相比，利用这些物理方法有效地控制和细化铝合金的铸造结构，可以大大避免环境和铝合金本身污染，随着对环境保护和金属材料质量的要求越来越高，物理场细化技术将受到越来越多的关注，并将以更快的速度应用于机械加工领域。

3  化学细化晶粒法

在铝及其合金的液态结构中加入特定的细化剂来细化晶粒的方法称为化学细化晶粒法。选择合适的晶粒细化剂是化学晶粒细化法的核心，比如在铝合金中，最为困难的是选择合适Al-Ti-B 晶粒细化剂的Ti/B 比例。在熔炼过程中选取合适的细化剂，通过细化剂的作用会使金属的液态组织中产生出数量很多的有效形核核心，晶核数量的增多从而导致了晶粒的细化。

自80年代以来，铝合金晶粒细化剂在中国铝加工企业得到了广泛应用。在国家的大力支持下，我国生产的铝合金细化剂在国际上也占有一定的市场。在全球市场中，主要的铝合金细化剂产品有A1-Ti、A1-Ti-B,Al-Ti-B-RE,Al-Ti-C等系列，产品的形式主要为合金锭和线材。

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