直流电流密度对Al-5Cu 合金凝固组织的影响

夏建强，白霄宇，毛红奎，曹美文，闫志义，刘洪斌

（1.安徽恒利增材制造科技有限公司，安徽 芜湖 241000；2.中北大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030051；3.山西柴油机工业有限责任公司，山西 大同 037000）

材料的电磁加工（EPM）在过去的二十年中得到了广泛的研究，材料电磁加工可以通过细化晶粒尺寸、消除缺陷和改善合金成分的均匀性来改善金属材料的性能，是生产高性能材料的一种有效的方法，也是未来开发新型材料加工技术的潜在方向[1-4]。

研究表明，直流电（DC）、交流电（AC）和电流脉冲（ECP）对凝固过程都有明显的影响[5-7]。在定向凝固过程中通入直流电，可以细化铝合金的晶粒[8，9]，电流脉冲可以减少铝铜合金中的一次枝晶间距，抑制平界面向胞状曲面或者胞状向树枝晶的转变[10]。珀尔帖效应是在电流通过两种不同导体时，由于电流方向的不同，使不同导体的接头处会分别出现吸热和放热现象，用来平衡两种材料之间的化学势差[11]。焦耳效应是当电流通过熔体时，由于电流场对熔体起作用，产生熔融阻力，使这部分功完全转化为热[12]。在金属和合金定向凝固过程中通入直流电和脉冲电流可以同时诱导珀尔帖效应和焦耳效应，进而实现凝固阶段的晶粒细化[2，13-19]。Fu 等人[18-19]发现，在合金凝固过程中施加低压脉冲磁场（LVPMF）也可以实现晶粒细化，并从形核和晶体生长的角度讨论了晶粒细化机制：在形核方面，振荡电磁力可以加速形核在结晶器壁上的分散，从而提高形核率；在晶粒生长过程中，当施加低压脉冲磁场时，焦耳热将在晶粒尺寸处累积，从而增大了晶粒尖端的半径，限制了晶粒的生长。

虽然目前国内外已有很多关于材料电磁工艺的研究，但电磁场下合金的凝固机理并未完全弄清楚，仍然有待遇进一步探索研究。本文采用在整个凝固阶段施加直流电的实验方法，探索电流在合金凝固过程中的作用机理，通过测试凝固过程中的冷却曲线，分析电流对过冷度的影响，从形核和长大的角度，结合珀尔帖效应和焦耳效应来探讨直流电对Al-5Cu 合金凝固行为的作用机理。

1 试验方法

本文采用99.9%的工业纯铝和Al-50Cu 中间合金配置Al-5Cu 合金作为试验材料。在试验中，首先在710 ℃的温度下熔化纯铝，然后加入Al-Cu 中间合金，将温度提升到730 ℃时，采用六氯乙烷进行除气精炼，待温度降至700 ℃～710 ℃后，将铝液倒入内腔尺寸长宽厚分别为80 mm×80 mm×10 mm的石膏模中，浇注后留样。采用电感耦合等离子体（ICP）测定样品的化学成分，实验材料实际化学成分如表1 所示。

表1 Al-5Cu 合金化学成分（质量分数，%）

在Al-5Cu 合金的凝固过程中施加直流电由DY-3V200A 型电源供电。同时在凝固过程中，使用两个热电偶进行温度测量，温度测试位置如图1 所示。浇注后的样品经水磨和抛光后，使用5 mL 氢氟酸+5 mL 水+30 mL 硝酸+60 mL 盐酸的腐蚀剂进行化学蚀刻。通过光学显微镜（OM Zeiss）和扫描电子显微镜（SEM SU5000）进行微观结构观察。扫描图像用imageproplus6.0 图像分析软件进行分析，并采用截线法测量晶粒大小。

图1 热电偶和温度测量位置

2 结果与讨论

2.1 电场作用下Al-5Cu 合金的微观组织

图2 显示了铸件中心区域电流密度对Al-5Cu合金微观结构的影响，可以看出在没有通入直流电的情况下，初生α-Al 呈粗大的树枝晶形貌，一次臂较长，二次枝晶较发达，共晶相数量较多，分布于粗大的枝晶间；通入电流后枝晶长度和宽度都变小，随着电流密度的增大，树枝晶向着等轴晶转变，当电流密度达到25 mA/mm2时效果最明显，枝晶的尖端同样向着扁平和圆形变化。电流密度继续增大这样的效果减弱。

图2 Al-5Cu 合金微观金相组织

图3 统计并比较了晶粒大小。通入直流电后，晶粒尺寸开始变小，当电流密度为25 mA/mm2时，晶粒尺寸从约2.3 mm 显著细化至约1.55 mm；当电流密度大于25 mA/mm2时，晶粒开始变得粗大；电流密度为30 mA/mm2时，晶粒尺寸约为1.68 mm.可以看出，电流对晶粒细化的影响随电流密度的增加先变大后变小。当电流密度为0～25 mA/mm2时，珀尔帖效应占主导地位，晶粒尺寸减小。随着电流密度的继续增加，当电流密度大于25 mA/mm2时，焦耳效应占主导地位，晶粒变的粗大。

图3 Al-5Cu 合金平均晶粒尺寸

图4 为扫描电镜下观察其共晶组织，可以看出电流密度为25 mA/mm2时合金共晶组织明显得到细化。自由生长的共晶组织如同固溶体型合金的等轴晶凝固，组成共晶的两相从一个结晶核心耦合地向四周生长成共晶团簇；在常规凝固条件下，Al-5Cu 层片间距主要取决于共晶生长界面前沿的热流和溶质沿界面的横向扩散，在生长界面处产生的各种效应不可避免地影响层片间距的大小，随着电流密度的增加，层片间距经历了一次细化的过程，电流密度为25 mA/mm2时共晶片间距最小。

图4 扫描电镜下Al-5Cu 合金共晶组织

凝固过程中电场引起的电子曳力必定导致固液界面前沿的溶质发生电迁移现象，电迁移现象促进了溶质沿生长方向的一维扩散，有利于片层沿垂直固液界面长度方向的快速长大[20]。还有一种解释是由于界面前沿浓度不均匀，电流密度在熔体中有差异，某层片电流密度大，温度升高导致过冷度小于临界过冷度，停止生长，而其余部位继续生长，形成凹槽，而凹槽处又富集了另一种相的原子，形成新的片层，导致片间距减小。

图5 为Al-5Cu 合金正负极柱状晶区宏观组织图，图6 为通入电流后柱状晶长度变化图。可以得出，在凝固过程中，随着直流电电流密度从0 增加到25 mA/mm2，柱状晶粒的长度从约4.91 mm 逐渐增加到9.12 mm.电流密度从25 mA/mm2进一步增加到30 mA/mm2时，长度从9.12 mm 减少到5.72 mm，这与凝固过程中电流密度对晶粒尺寸的影响相似。在负极区域，施加直流电后柱状晶粒的生长行为完全不同。电流密度从0 增加到25 mA/mm2时，长度从约4.65 mm 减少到0.87 mm.电流密度从25 mA/mm2进一步增加到30 mA/mm2时，长度从0.87 mm 增加到1.11 mm.在施加直流电之前，柱状晶粒的长度接近。可以得出结论，随着电流密度的增加，靠近正极的柱状晶粒长度先增大后减小，靠近负极的柱状晶粒长度先减小后增大。电流场的加入可以改变样品与电极接触面的冷却梯度。随着电流密度的增加，珀尔帖效应增强。当电流密度达到25 mA/mm2时，珀尔帖效应表现得最为明显。随着电流密度继续增加，焦耳效应产生的焦耳热增加，并逐渐占据主导地位，导致两端温度梯度趋于一致。

图5 Al-5Cu 合金正负极柱状晶区宏观组织图

图6 Al-5Cu 合金平均柱状晶长度

综上所述，直流电可以对凝固过程中柱状晶粒的生长行为产生显著影响。在凝固过程中，固—液界面会发生吸热和放热。在靠近正极区的固—液界面处，吸热可以降低凝固过程中界面处的温度。远离界面的温度大致保持不变。所以液体中靠近界面的温度梯度增加。由于高温有利于柱状晶粒的生长，所以当施加直流电电流密度0～25 mA/mm2时，正极区域柱状晶粒长度增加。当电流密度增加到30 mA/mm2时，换做焦耳热主导生长行为。产生的焦耳热会使固-液界面处的温度升高，从而降低界面处的温度梯度。柱状晶粒的生长将受到抑制，柱状晶粒的长度将缩短。此外，形成的焦耳热可以减少固-液界面处的过冷度，这是晶体生长的驱动力，限制了凝固过程中柱状晶粒的生长。负极区域柱状晶长度变化与正极区域相反。这就是珀尔贴效应和焦耳热在合金凝固过程中共同作用的结果。

2.2 电场作用下Al-5Cu 合金的冷却曲线

图7 为Al-5Cu 合金不同电流密度作用下的冷却曲线，可以看出，加入电流后合金的凝固速度变快，随着电流密度的增加，成核过冷度增大。当电流密度为20 mA/mm2时，达到最大形核过冷度，约为5.35 ℃，形核过冷度的增加有利于增加形核率，细化晶粒。但当电流密度进一步增大，形核过冷度降低，电流密度为30 mA/mm2时，形核过冷度仅为3.8 ℃.图8 为中过冷度随电流密度变化图，随着电流密度的增加，过冷度明显增大，电流密度为20 mA/mm2时过冷度达到最大，随着电流密度继续增加，由于焦耳作用的影响，熔体整体升温，导致过冷度下降。

图7 Al-5Cu 合金电场作用下的冷却曲线

图8 过冷度随电流密度变化

图9 为有无电流作用时晶胞的形状示意图，可以看出，随着电流密度的增加，晶核表面积越来越大，导致表面能增加，在本该开始形核的过冷度下，不能形成能稳定长大的晶核，形核阶段不能开始，导致过冷度继续增大，当过冷度增大到能形成稳定长大的晶核时才能进行正常的形核长大，这样导致了形核时间的延后，即珀尔贴效应抑制了形核的开始，增大了过冷度。熔体中通入电流后，熔体内的整体能量升高，一定程度上加剧了液态金属中的成分起伏、能量起伏和结构起伏[21]，这样的电流场一是降低了团簇周围束缚溶质原子的电子云密度，相当于促进了原子的扩散；二是提高了熔体中原子的能量，能量变高原子的活性增大，同样促进了原子的扩散，使得熔体中较大的团簇分解为众多更小的团簇，潜在结晶核心尺寸的减小，导致在本该开始形核的过冷度下熔体不能开始形核，抑制了形核的开始，过冷度降低至形核开始的过冷度时，此时大量分解开的小型团簇开始形核，导致形核率增加，晶粒得到细化，当总电流增大时，珀尔贴效应和焦耳效应形成竞争关系造成了电场作用下过冷度的变化。

图9 电流对晶粒形核形貌影响的示意图

总体来说，这两个效应，一个是减小潜在成核的尺寸，另一个是增加成核电阻。这两种效应的共同作用延迟了形核的开始并增加了过冷度。然而，当电流密度增加到某一临界值时，焦耳热会使晶核再次圆化，减小晶核的表面积，这有利于晶核的生长，导致晶粒尺寸随着电流密度的增加先减小后增大。

3 结论

1）向Al-5Cu 合金通入直流电可以细化晶粒。凝固过程中，电流密度从0 增大到25 mA/mm2时，α-Al 晶粒尺寸先减小后增大，正极附近柱状晶长度先增大后减小；电流密度大于25 mA/mm2时，α-Al晶粒尺寸逐渐增大，靠近正极的柱状晶粒长度逐渐减小。负极附近柱状晶长度的变化与正区柱状晶长度的变化相反。

2）直流电流对Al-5Cu 合金微观组织产生了影响，共晶组织的层间距明显变小，枝晶长度和宽度均在电流的作用下减小，甚至转变为等轴晶，最佳效果为电流密度25 mA/mm2时。直流电流也会使得过冷度增加，在电流密度为20 mA/mm2时效果最明显。