二维振动参数对半固态ZL104合金微观组织的影响

谭建波，张海英，李增民，李立新

(1.河北科技大学 材料科学与工程学院，石家庄 050018；2.郑州职业技术学院 材料工程系，郑州 450121)

作为一种新型的半固态合金制备技术——倾斜冷却法首先在日本提出[1]，其原理是将略高于液相线温度的熔融金属倒在倾斜板上，利用倾斜板的激冷、合金熔体的冲击和重力作用，细化晶粒，获得理想半固态合金[2−3]。目前，倾斜冷却剪切流变技术已经在半固态合金坯料制备[4]、合金组织细化[5]、半固态挤压铸造[6]、半固态轧制[7]及半固态连铸[8−9]等领域得到了广泛应用。

近年来在光滑倾斜板的基础上，又出现了一些新的研究方法，如波浪法[10]、剪切振动法[11]、斜管法[12]、阻尼冷却管法[13]、蛇形通道法[14]、正弦波通道法[15]、扰流柱法[16]等。本文作者利用自制的可实现三维振动的倾斜剪切流变装置，并在倾斜板内放置扰流柱，研究了二维振动参数对半固态ZL104合金组织的影响，研究结果对倾斜板法快速半固态合金有一定的参考价值。

1 实验

实验所用材料为 ZL104合金，名义成分(质量分数)为：9%Si，0.4%Mn，0.25%Mg，余量为 Al。实际测得合金的固相线为555℃，液相线为595℃。实验设备为自行设计、振动频率可调，可实现三维振动的半固态合金制备装置，如图1所示。

图1 倾斜冷却剪切装置示意图Fig.1 Schematic diagram of sloping experimental facility with cooling and shearing function

实验条件均为：倾斜板倾斜角度为 45°，倾斜板预热温度为125 ℃，浇注长度为400 mm，浇注温度为600 ℃，倾斜板内安放水滴形扰流柱，可以破碎枝晶，合金液绕行扰流柱时，可以增加晶核数量，扰流柱为叉排，如图2所示，图中S=15 mm，L=40 mm。

振动方向分别为XY、YZ和XZ方向，相同振动方向下，通过改变振动频率制备半固态ZL104合金浆料，

图2 扰流柱安置示意图Fig.2 Schematic diagram of disturbing pillars

振动方向示意图如图3所示，图中X方向与倾斜板中心线在水平面中的投影平行，Y方向与水平面中的 X方向垂直，Z方向垂直于水平面，振动频率分别为30、40和50 Hz。在倾斜板下端，用取样器接取少量不同制备参数下的半固态ZL104合金浆料并立即水淬，制取金相试样，试样用4%的NaOH溶液侵蚀。利用图像分析技术测定水淬组织中初生固相的平均周长、平均尺寸，计算初生固相晶粒的尺寸和形状因子[11]。为了减小误差，对每个试样的6～8个视场进行了测量，然后取其平均值作为该试样初生固相的组织特征。

图3 X、Y、Z方向示意图Fig.3 Schematic diagram of X, Y and Z direction

2 结果与讨论

2.1 XY方向振动时ZL104的组织

振动方向为XY方向时，不同振动频率下ZL104水淬组织的微观组织特征如图4所示，组织特征参数见表1。

由图4和表1可以看出，振动方向为XY方向时，随着振动频率的增加，初生相晶粒尺寸逐渐减小，由15.23 μm减小到6.75 μm；形状因子逐渐增大，由0.41增加到0.58，初生固相率变化不大。振动频率为30 Hz时，组织呈鱼骨状，振动频率为50 Hz时，晶粒尺寸细小，形状较圆整，没有枝晶。

合金液沿倾斜板向下流动时同时受到X和Y方向振动的干扰，X方向振动对合金液的影响可分解为两个方向，一个方向垂直于倾斜板，另一个方向平行于倾斜板，如图3所示。合金液受到垂直于倾斜板方向上的振动时，首先，可使合金液中已生长的枝晶和未凝固的液体发生较大的相对运动，使晶粒之间发生碰撞和摩擦，造成枝晶最脆弱的部位(枝晶臂等)被剪切而折断、破碎，形成了许多细小晶粒，细化枝晶；第二，由于振动所产生的搅动，使在长大过程中初生枝晶周围的液体造成了局部的温度起伏，从而有利于枝晶的熔断，导致新晶核的产生，使晶粒不断细化；第三，增加了合金熔体与冷却板的热交换，冷却速度加快，可抑制晶粒的长大；第四，可避免在倾斜板上凝固结壳。平行于倾斜板方向的振动激振力可增加合金液向下流动的速度；由于Y方向的振动是垂直于倾斜板的中心线方向，因此，对晶核形成和长大的影响主要体现在：合金熔体在向下流动的过程中，初生固相由于受到平行于倾斜板表面的Y方向的振动，加剧了晶粒之间的摩擦、碰撞的几率，使得枝晶更易破碎。由于Y方向和X方向同时振动，因此，晶粒在受到垂直于倾斜板振动以及向下流动的过程中同时受到Y方向的激振作用，使得枝晶和未凝固的液体之间的相对运动增大，晶粒之间碰撞和摩擦加剧，晶粒进一步细化。

图4 XY方向振动时ZL104的组织Fig.4 Microstructures of ZL104 under XY vibration direction∶(a)30 Hz; (b)40 Hz; (c)50 Hz

表1 XY方向振动时ZL104组织特征Table 1 Microstructure features of ZL104 under XY vibration direction

随着振动频率的增加，振动强度增大，对组织的影响表现为：1)晶粒之间的位移增大，晶粒之间的碰撞和摩擦加剧，枝晶臂等被剪切而折断、破碎的几率增加；2)增强了合金熔体与冷却板的热交换，冷却速度加快，抑制晶粒的长大，因此，随着振动频率的增加，晶粒尺寸减小，形状因子增大。

另外，由于在倾斜板内安放了扰流柱，XY方向振动时，扰流柱的运动轨迹如图5所示，增强了对金属液的搅拌、散热和破碎枝晶作用。

图5 XY振动时，扰流柱的运动轨迹Fig.5 Movement track of disturbing pillars under XY vibration direction

2.2 YZ方向振动时ZL104的组织

振动方向为 YZ方向时，不同振动频率下水淬组织的微观组织特征如图6所示，组织特征参数见表2。

由图6和表2可以看出，振动方向为YZ时，随着振动频率的增加，初生相晶粒尺寸逐渐减小，由12.32 μm减小到7.13 μm；形状因子逐渐增大，由0.46增加到0.54，振动频率为50 Hz时晶粒尺寸细小，形状较圆整。

图6 YZ方向振动时ZL104的组织Fig.6 Microstructures of ZL104 under YZ vibration direction∶(a)30 Hz; (b)40 Hz; (c)50 Hz

表2 YZ方向振动时ZL104组织特征Table 2 Microstructure features of ZL104 under YZ vibration direction

YZ方向振动时，合金液沿倾斜板向下流动时，同时受到Y和Z方向振动的干扰，Z方向振动对合金液的影响可分解为两个方向，一个方向垂直于倾斜板方向，另一个方向平行于倾斜板方向向上。垂直于倾斜板方向上的振动对合金液的影响和X方向垂直分力的影响相同，在此不再赘述。YZ方向振动和XY方向振动对组织的影响主要体现在Z方向和X方向沿倾斜板内表面分力方向的不同，一个向上，一个向下。YZ方向振动时，合金液由于受到一个向上的分力的影响，合金液在倾斜板上滞留的时间相对要长，初生固相率较高。

振动频率的影响主要体现在晶粒受到振动次数和强度的影响，随着振动频率的增加，振动次数和强度增大，晶粒细化。

2.3 XZ方向振动时ZL104的组织

振动方向为 XZ方向时，不同振动频率下水淬组织的微观组织特征如图7所示，组织特征参数见表3。

由图7和表3可以看出，振动方向为XZ时，随着振动频率的增加，初生相晶粒尺寸逐渐减小，由11.19 μm减小到6.53 μm；形状因子逐渐增大，由0.42增加到0.57，振动频率为50 Hz时晶粒尺寸细小，形状较圆整。

图7 XZ方向振动时ZL104的组织Fig.7 Microstructures of ZL104 under XZ vibration direction∶(a)30 Hz; (b)40 Hz; (c)50 Hz

表3 XZ方向振动时ZL104组织特征Table 3 Microstructure features of ZL104 under XZ vibration direction

XZ方向振动时，合金液沿倾斜板向下流动时，同时受到X和Z方向振动的干扰，X方向振动对合金液的影响可分解为两个方向，一个方向垂直于倾斜板方向，另一个方向平行于倾斜板方向向下，Z方向振动对合金液的影响可分解为两个方向，一个方向垂直于倾斜板方向，另一个方向平行于倾斜板方向向上，因此，合金液受到的垂直于倾斜板方向上的振动是两个分力的叠加，合金液中已生长的枝晶和未凝固的液体之间产生的相对运动最大，晶粒之间发生碰撞和摩擦的机会最多，枝晶更容易被剪切而折断、破碎，因此，晶粒更细化。另外，由于叠加振动所造成的初生枝晶长大过程中周围液体局部的温度起伏更大，更有利于枝晶的熔断，导致新晶核的产生。

由于 X方向和 Z方向在沿倾斜板方向的分力抵消，因此，合金液在倾斜板上滞留的时间最长，初生固相率也最高。

3 结论

1)二维振动方向对倾斜板法制备半固态合金的微观组织特征有较大影响，随着振动频率的增加，初生相晶粒尺寸逐渐减小，形状因子逐渐增大。

2)振动方向为XY方向，振动频率为30 Hz时，组织呈鱼骨状，随着振动频率的增加，初生相晶粒尺寸由15.23 μm减小到6.75 μm，形状因子由0.41增加到0.58。

3)振动方向为YZ时，随着振动频率的增加，初生相晶粒尺寸由12.32 μm减小到7.13 μm，形状因子由0.46增加到0.54。

4)振动方向为XZ时，随着振动频率的增加，初生相晶粒尺寸由11.19 μm减小到6.53 μm，形状因子由0.42增加到0.57，振动频率为50 Hz时，形状圆整，晶粒尺寸最为细小。

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