王 睿，左玉波，朱慶豐，李志猛，劉旭東

(1.東北大學(xué) 材料電磁過(guò)程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

半連續(xù)鑄造(direct-chill casting，DC)是生產(chǎn)變形鋁合金鑄錠的主要方法，采用該方法鑄造的鋁合金鑄錠中存在的夾渣、疏松、氣孔、偏析等缺陷會(huì)通過(guò)組織遺傳效應(yīng)影響后續(xù)變形產(chǎn)品的成形性和成品的綜合性能[1-3]。

在諸多缺陷中，疏松是金屬凝固過(guò)程中一種常見(jiàn)且很難避免的組織缺陷，其特征為在鑄錠內(nèi)部形成形狀不規(guī)則的孔洞。這種缺陷既與熔體凝固方式以及凝固過(guò)程中的補(bǔ)縮程度有關(guān)，又與凝固前熔體中的氣體含量有關(guān)。

疏松的存在會(huì)破壞凝固組織的連續(xù)性，因此，疏松的大小及分布特征直接影響DC鑄造變形鋁合金的成形性和成品的綜合性能。在DC鑄造過(guò)程中疏松會(huì)成為鑄錠的熱裂紋源進(jìn)而促使鑄錠開(kāi)裂；疏松的存在也會(huì)使鑄錠在后續(xù)變形過(guò)程中開(kāi)裂。Eskin[4]研究DC鑄造鋁-銅合金時(shí)發(fā)現(xiàn)在鑄錠內(nèi)的集中疏松更容易擴(kuò)展形成熱裂紋。劉金勝等人的課題組發(fā)現(xiàn)5059鋁合金扁錠心部的“V”字形集中疏松會(huì)誘發(fā)軋制過(guò)程中的“V”字形裂紋[5]。Nagaumi[6]發(fā)現(xiàn)均勻化退火后5052鋁合金扁錠內(nèi)疏松的尺寸增加。

疏松不僅影響變形鋁合金制品的成形性，還會(huì)影響鋁合金制品的最終性能。朱慶豐等人的前期研究發(fā)現(xiàn)，7075鋁合金水平連鑄鑄錠下部的疏松會(huì)導(dǎo)致該處錠坯的拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率明顯低于其他部分的[7]。Eskin研究DC鑄造7050鋁合金時(shí)發(fā)現(xiàn)在低溫的環(huán)境下，疏松的存在會(huì)更容易導(dǎo)致材料在達(dá)到屈服點(diǎn)之前就發(fā)生斷裂[8]。Dixon和Barter等人[9-10]發(fā)現(xiàn)AA 7050-T7451鋁合金軋制厚板中疏松和夾渣顆粒共存會(huì)加速疲勞裂紋形成，影響制品的疲勞性能。

由上述分析可知，控制疏松的尺寸及分布對(duì)于提高DC鑄錠的質(zhì)量至關(guān)重要，本文作者主要介紹疏松的形成機(jī)制及主要影響因素，并探討了減少DC鑄造過(guò)程中疏松形成的主要方法。

1 疏松形成機(jī)制

疏松是在熔體凝固過(guò)程中形成的。凝固過(guò)程中搭接的枝晶將熔體分割后，被分割的熔體凝固收縮，若這些熔體收縮得不到后續(xù)熔體的補(bǔ)充，就會(huì)因凝固收縮而形成形狀不規(guī)則的微觀孔隙，即為疏松。鋁合金鑄錠中疏松的形成既與凝固方式有關(guān)又與熔體中的氫含量有關(guān)。伴隨著搭接枝晶的凝固，疏松在搭接的枝晶間形成，同時(shí)熔體中的氫也會(huì)隨著凝固過(guò)程被排出，進(jìn)入疏松區(qū)域，進(jìn)而加重疏松的程度。若熔體中氫含量過(guò)大，在凝固過(guò)程排出的氫會(huì)在熔體中聚集形成圓形的氣泡，這些氣泡如果不能被及時(shí)排除，就會(huì)隨熔體凝固在鑄錠中形成氣孔。

根據(jù)合金成分和凝固條件的不同，鋁合金的凝固方式主要有兩種，即宏觀凝固前沿同時(shí)推進(jìn)的平面凝固和一定體積熔體同時(shí)形核并長(zhǎng)大的體積凝固。不同的凝固方式會(huì)使凝固過(guò)程中枝晶的搭接程度不同，這些將直接影響疏松的形成過(guò)程。

當(dāng)凝固前沿同時(shí)推進(jìn)時(shí)，凝固形成的典型組織為羽毛晶和柱狀晶(如圖1所示)[11]，凝固前沿的兩相區(qū)較窄且各枝晶同時(shí)向凝固前沿推進(jìn)完成凝固，此時(shí)枝晶不容易搭接，氣體也更容易從糊狀區(qū)排出，在這種凝固條件下疏松難以形成。Gao[12]等人發(fā)現(xiàn)Al- 4.5Cu合金的柱狀晶組織在凝固過(guò)程中更容易得到熔體補(bǔ)縮，因此形成的疏松很少。

圖1 平面凝固方式形成的柱狀晶Fig.1 Columnar dendritic grains formed by planar solidification

當(dāng)熔體以體積凝固的形式凝固時(shí)，在凝固前沿一定體積的熔體內(nèi)晶核同時(shí)形成并長(zhǎng)大，這會(huì)形成典型的等軸晶，凝固前沿的兩相區(qū)較寬，固相率高的糊狀區(qū)區(qū)域和固相率低的漿狀區(qū)區(qū)域均有大量的晶粒，此時(shí)枝晶間更容易搭接(如圖2所示)[13]。因此，在枝晶搭接形成孔隙內(nèi)的熔體在凝固過(guò)程中不容易得到補(bǔ)充，同時(shí)氣體也更難排除，這種凝固條件下疏松更容易形成。

圖2 體積凝固方式形成的等軸晶示意圖Fig.2 Schematic illustration of equiaxed dendritic grains formed by volume solidification

2 DC鑄錠中疏松的分布特征及其機(jī)制

DC鑄造作為生產(chǎn)大尺寸變形鋁合金鑄錠的主要方法具有自身的凝固特點(diǎn)。DC鑄造凝固過(guò)程中熔體首先與一冷區(qū)接觸，并且快速凝固形成一層晶粒很細(xì)的凝固殼。隨后鑄錠開(kāi)始沿鑄造方向移動(dòng)，凝固殼也會(huì)在凝固收縮的作用下與一冷區(qū)分開(kāi)形成氣隙，此時(shí)凝固殼內(nèi)層熔體的冷卻速率開(kāi)始下降；當(dāng)噴射到鑄錠表面的二次冷卻水起到冷卻作用后，凝固殼內(nèi)的熔體會(huì)再次受到強(qiáng)烈的冷卻作用，使鑄錠的冷卻速率由外向內(nèi)逐漸降低并且不斷凝固。這會(huì)在凝固過(guò)程中形成一個(gè)“V”字形液穴(如圖3所示)[13]。在液穴內(nèi)不同位置的兩相區(qū)寬度、凝固方式會(huì)有所不同，這會(huì)使不同位置處糊狀區(qū)內(nèi)熔體的補(bǔ)縮條件以及氣體排出的阻力存在差異。因此，導(dǎo)致鑄錠內(nèi)不同位置處疏松的尺寸和分布特征不同。

圖3 液穴形貌的示意圖Fig.3 Schematic illustration of the sump

DC鑄造過(guò)程中不添加細(xì)化劑時(shí)，鑄錠由表層到心部的凝固組織變化一般是：表層的細(xì)晶區(qū)，邊部的柱狀晶和羽毛晶區(qū)以及心部的等軸晶區(qū)。表層和次表層區(qū)域內(nèi)的細(xì)晶組織會(huì)在形成收縮氣隙后再次被加熱發(fā)生局部重熔，同時(shí)彎月面處的波動(dòng)還可能造成裹氣。因此，鑄錠表層和次表層組織易產(chǎn)生氣孔、疏松和宏觀偏析等缺陷。這些缺陷會(huì)嚴(yán)重影響鑄錠的質(zhì)量，一般用機(jī)械加工的方法進(jìn)行去除[14]。

當(dāng)二次冷卻水的作用開(kāi)始影響鑄錠的凝固后，鑄錠凝固前沿的冷卻速率、溫度梯度和晶粒生長(zhǎng)速率都會(huì)迅速增加，這有利于形成羽毛晶和柱狀晶組織。此時(shí)凝固前沿的兩相區(qū)較窄，枝晶不容易搭接，熔體更容易補(bǔ)縮，氣體也更容易排除，因此該區(qū)域的疏松數(shù)量較少。朱慶豐等人[7]在水平連鑄7075鋁合金鑄錠的羽毛晶區(qū)域未發(fā)現(xiàn)明顯的疏松，并且力學(xué)性能明顯高于等軸晶區(qū)域的。Nagaumi[15]在DC鑄造Al-4.4%Mg合金扁錠的柱狀晶或羽毛晶區(qū)僅發(fā)現(xiàn)了少量小尺寸橢圓形疏松。

隨著凝固前沿向鑄錠心部推進(jìn)，凝固前沿的冷卻速率、溫度梯度均逐漸降低，凝固條件開(kāi)始向著有利于等軸晶形成的方向發(fā)展，此時(shí)凝固前沿兩相區(qū)變寬，柱狀晶和羽毛晶開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，枝晶之間容易發(fā)生搭接，被枝晶封閉的熔體在凝固過(guò)程中難以得到新熔體補(bǔ)充，氣體也變得難以排除。再加之鑄錠心部出現(xiàn)的大尺寸浮游晶粒很容易在液穴內(nèi)糊狀區(qū)與漿狀區(qū)的交界處搭接而形成尺寸較大的封閉熔體區(qū)，這會(huì)進(jìn)一步阻礙糊狀區(qū)內(nèi)熔體的滲透，促進(jìn)疏松的形成。因此，鑄錠心部區(qū)域的疏松往往較多。朱慶豐等人在水平連鑄7075鋁合金鑄錠的粗晶區(qū)域發(fā)現(xiàn)了明顯的大尺寸疏松。Nagaumi[15]在DC鑄造Al-4.4%Mg合金扁錠的心部等軸晶區(qū)也發(fā)現(xiàn)很多存在于晶界處的大尺寸三角狀疏松。

DC鑄造過(guò)程中添加細(xì)化劑后，凝固過(guò)程主要是通過(guò)引入異質(zhì)形核核心促成了羽毛晶向等軸晶的轉(zhuǎn)化，盡管凝固前沿熔體中形成晶核釋放的結(jié)晶潛熱會(huì)在一定程度上影響凝固前沿兩相區(qū)的寬度，但對(duì)整個(gè)液穴中不同區(qū)域凝固條件(凝固前沿的溫度梯度及糊狀區(qū)厚度)的影響有限。在冷卻速率較快的邊部，盡管柱狀晶和羽毛晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶后不利于補(bǔ)縮，但該位置處糊狀區(qū)較窄，被搭接枝晶封閉的區(qū)域依然可以得到上方熔體較好的補(bǔ)縮[16]。因此，添加細(xì)化劑對(duì)該位置疏松尺寸影響不大。其余位置處由于凝固方式和兩相區(qū)寬度變化趨勢(shì)與不添加細(xì)化劑時(shí)相同，因此添加細(xì)化劑后疏松的宏觀分布特征與不加細(xì)化劑時(shí)無(wú)明顯差異，依然是在靠近鑄錠邊部糊狀區(qū)寬度較窄的區(qū)域內(nèi)疏松尺寸小且數(shù)量少，而在鑄錠心部糊狀區(qū)寬度較寬的區(qū)域內(nèi)疏松尺寸大且數(shù)量多。朱慶豐等人[5]發(fā)現(xiàn)對(duì)于加入細(xì)化劑的5059鋁合金扁錠其邊部無(wú)明顯的顯微疏松，而在靠近心部位置出現(xiàn)了集中的帶狀疏松和大尺寸的圓孔狀疏松。Nadella[17]在研究DC鑄造7075鋁合金鑄錠時(shí)發(fā)現(xiàn)加入細(xì)化劑后，鑄錠邊部未發(fā)現(xiàn)明顯疏松而在心部卻發(fā)現(xiàn)許多沿晶界分布的大尺寸疏松。

3 DC鑄造中疏松的影響因素和控制措施

3.1 熔體中氫含量的影響

當(dāng)鋁合金發(fā)生凝固時(shí)，氫在鋁熔體的溶解度會(huì)急劇的變化，凝固過(guò)程中未被排出的氫會(huì)促進(jìn)疏松孔隙進(jìn)一步長(zhǎng)大。因此，凝固前鋁熔體中氫含量的大小會(huì)直接影響疏松的形成。

Talbot[18]等人發(fā)現(xiàn)液相中原始?xì)浜繉?duì)疏松的尺寸和數(shù)量影響很大。Lee[19]等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)熔體中氫含量較低時(shí)，疏松的形核溫度較低且尺寸和數(shù)量較少；當(dāng)熔體中氫含量較高時(shí)，疏松的形核溫度較高且尺寸較大。Gao[12]等人通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)Al-4.5%Cu合金在固相率相同的情況下，隨著熔體中氫含量的升高，疏松所占百分比逐漸增大；當(dāng)熔體中氫含量小于0.06 cm3/(100 g Al)時(shí)凝固組織中不會(huì)形成氣孔。在當(dāng)前DC鑄造鋁合金的熔鑄過(guò)程中，會(huì)通過(guò)爐內(nèi)除氣和在線除氣盡量降低鋁熔體內(nèi)氫的含量(一般會(huì)控制在0.16 cm3/(100 g Al)以下)，以減小熔體中氫的存在對(duì)疏松的影響。

3.2 合金成分的影響

鋁合金中的不同成分主要是通過(guò)影響熔體兩相區(qū)寬度和枝晶生長(zhǎng)方式來(lái)影響疏松形成的。此外，不同元素對(duì)熔體吸氫能力的影響也會(huì)影響鑄錠中疏松的形成。

當(dāng)鋁中添加合金元素含量較低時(shí)，合金的兩相區(qū)寬度窄(熔點(diǎn)到固相線的溫度區(qū)間窄)，鑄造過(guò)程中凝固前沿難以形成較寬的糊狀區(qū)，浮游晶粒也難以形成。因此熔體的滲透率較高，疏松不易形成。如工業(yè)純鋁和6063等鋁合金由于合金元素含量較少，兩相區(qū)寬度很窄。因此在凝固過(guò)程中形成疏松的數(shù)量很少，有關(guān)這些合金中疏松的報(bào)道也很少。

當(dāng)鋁中添加使兩相區(qū)變寬的合金元素(如Cu、Zn、Mg)后，由于合金的兩相區(qū)變寬(熔點(diǎn)到固相線的溫度區(qū)間寬)，鑄造過(guò)程中凝固前沿容易形成較寬的糊狀區(qū)，浮游晶粒更容易形成，枝晶更容易發(fā)生搭接。此時(shí)熔體的滲透率較低，疏松更容易的形成。Edwards[20]等人發(fā)現(xiàn)隨著鋁合金內(nèi)Cu元素含量的增多，兩相區(qū)寬度增加的同時(shí)，疏松含量也有所增多。而一些元素(如Mg)的增加還會(huì)影響鋁熔體中氧化膜的致密性，使得熔體內(nèi)氫含量增加，進(jìn)而加劇疏松的形成。Chen[21]等人發(fā)現(xiàn)DC鑄造鋁-鎂合金錠坯內(nèi)疏松的數(shù)量和尺寸隨著鎂含量增加而增大。Chaijaruwanich[22]也發(fā)現(xiàn)DC鑄造鋁-鎂合金中Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由2%提高到6%后，合金中的氫含量增加了一倍。某些元素(如Fe、Zn)形成的一些金屬間化合物會(huì)存在于枝晶通道間抑制熔體的補(bǔ)縮，促進(jìn)疏松的形成[23]。

添加晶粒細(xì)化劑后疏松在鑄錠內(nèi)的分布特征在上文中已經(jīng)有所描述，但其對(duì)疏松尺寸和數(shù)目的影響相關(guān)觀點(diǎn)尚不統(tǒng)一。Tynelius[24]認(rèn)為細(xì)化劑通過(guò)細(xì)化合金的晶粒，可以使鑄件中存在的疏松尺寸變小且分布均勻。而Mohanty[25]則認(rèn)為加入A356鋁合金熔體中部分不能成為α-Al結(jié)晶核心的Ti2B會(huì)作為疏松的形核基底，使疏松的數(shù)目增多。Schaffer[26]認(rèn)為加入細(xì)化劑后糊狀區(qū)的枝晶間的通道更加曲折，不利于熔體的滲透，因此會(huì)促進(jìn)疏松的形成。

3.3 鑄造工藝參數(shù)的影響

3.3.1 鑄造速度的影響

鑄造速度是DC鑄造過(guò)程中的重要工藝參數(shù)，其通過(guò)影響液穴深度、兩相區(qū)寬度、晶粒的形成及生長(zhǎng)速率等多方面影響疏松的形成和分布。一方面，隨著鑄造速度增加，兩相區(qū)寬度增加，熔體中心更容易形成粗大的浮游晶粒，這些因素有利于疏松的形成。Eskin[27]發(fā)現(xiàn)DC鑄造直徑為200 mm的Al-2.8%Cu合金，當(dāng)鑄造速度由100 mm/min增加到200 mm/min時(shí)，糊狀區(qū)的厚度明顯增加，鑄錠心部疏松的面積百分?jǐn)?shù)也明顯增加。另一方面，適當(dāng)提高鑄造速度可能會(huì)引起凝固前沿的熔體冷卻速率的增加，更有利于非浮游晶粒組織形成細(xì)小的枝晶，這些細(xì)枝晶會(huì)將熔體分割為更加細(xì)小的微區(qū)，因此有減少大尺寸疏松的趨勢(shì)。Eskin[28]研究也發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)提高鑄造速度后會(huì)使大尺寸疏松的占比減少?？梢?jiàn)，其他條件一定的情況下，合適的提高鑄造速度能夠在一定程度上降低疏松的形成數(shù)量，但鑄造速度過(guò)高后心部的大尺寸疏松會(huì)明顯增加。

3.3.2 澆注溫度的影響

澆注溫度是DC鑄造鋁合金過(guò)程中另一個(gè)重要的參數(shù)，澆注溫度主要通過(guò)影響液穴的形貌和組織來(lái)影響DC鑄造過(guò)程中凝固前沿的凝固方式和熔體滲透率。澆注溫度提高使液穴內(nèi)上層高溫熔體區(qū)域增加，下方兩相區(qū)附近的溫度梯度增加。這會(huì)使液穴內(nèi)漿狀區(qū)的尺寸減小[14]，因此有利于糊狀區(qū)內(nèi)熔體的補(bǔ)縮和氣體的排出。Eskin[27]發(fā)現(xiàn)澆注溫度由700 ℃逐漸提升至760 ℃，DC鑄造直徑200 mm的Al-2.8%Cu合金圓錠內(nèi)的疏松逐漸減少，同時(shí)還通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)一步證實(shí)了澆注溫度的提高有利于提高熔體的流動(dòng)性及滲透率，進(jìn)而抑制疏松的形成。但另一方面，澆注溫度的增加(特別是澆注溫度過(guò)高)可能在一定程度上增加液穴內(nèi)高溫熔體區(qū)的寬度[14]，浮游晶粒的數(shù)量和尺寸會(huì)因熔體區(qū)的寬度的增加而增加。這些浮游晶粒很容易在液穴內(nèi)糊狀區(qū)與漿狀區(qū)的交界處搭接。因此會(huì)阻礙糊狀區(qū)內(nèi)熔體的滲透，促進(jìn)疏松的形成。同時(shí)Jahangiri[29]發(fā)現(xiàn)過(guò)高的鑄造溫會(huì)使熔體中的氣體含量有所增加，這也會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)疏松形成。因此，在其他條件一定的情況下，適當(dāng)?shù)奶岣哞T造溫度也能夠在一定程度上降低疏松的數(shù)量和尺寸，但澆注溫度過(guò)高反而會(huì)促進(jìn)疏松的形成。

3.4 施加外場(chǎng)作用的影響

近年來(lái)，為了提高錠坯質(zhì)量，通過(guò)在半連續(xù)鑄造過(guò)程中引入低頻電磁場(chǎng)、超聲場(chǎng)和熔體強(qiáng)剪切處理等外場(chǎng)來(lái)控制合金的凝固過(guò)程逐步受到學(xué)者的重視。這些外場(chǎng)的引入獲得了顯著的組織細(xì)化、抑制裂紋、減少偏析等效果。外場(chǎng)的引入勢(shì)必對(duì)疏松的形成產(chǎn)生一定的影響，本節(jié)主要總結(jié)分析歸納外場(chǎng)在疏松形成過(guò)程中的作用。

3.4.1 施加低頻電磁場(chǎng)的影響

相關(guān)研究證明[30-32]引入低頻電磁場(chǎng)后在洛倫茲力的作用下，熔體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)制對(duì)流。這會(huì)使邊部和心部的溫度場(chǎng)趨于均勻，組織也會(huì)得到一定程度的細(xì)化。低頻電磁場(chǎng)主要通過(guò)影響液穴內(nèi)兩相區(qū)的寬度以及晶粒的生長(zhǎng)方式來(lái)影響疏松的形成。一方面，在電磁攪拌作用下組織內(nèi)會(huì)出現(xiàn)細(xì)小的近球形組織，這種組織的出現(xiàn)會(huì)抑制心部大尺寸浮游晶粒的形成，有利于減小浮游晶粒搭接的區(qū)域，因此在一定程度上會(huì)對(duì)鑄錠心部出現(xiàn)的集中疏松起到一定的改善作用。另一方面磁場(chǎng)的施加會(huì)通過(guò)對(duì)熔池內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的改變使熔池內(nèi)兩相區(qū)寬度增加[33]，這不利于糊狀區(qū)內(nèi)熔體的補(bǔ)縮和氣體的排出，因此在一定程度上又會(huì)促進(jìn)疏松的形成。此外，當(dāng)磁場(chǎng)攪拌強(qiáng)度過(guò)大時(shí)，可能會(huì)造成DC鑄造過(guò)程中液面波動(dòng)，引發(fā)裹氣、裹渣現(xiàn)象，促進(jìn)疏松的形成。目前，通過(guò)施加低頻電磁場(chǎng)改善鋁合金DC鑄造熔池內(nèi)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)，進(jìn)而改善凝固組織的相關(guān)報(bào)道很多，但有關(guān)電磁場(chǎng)作用對(duì)DC鑄錠中疏松影響的報(bào)道相對(duì)較少。Dong和左玉波等人[31-32]研究Al-Zn-Mg-Cu系合金時(shí)發(fā)現(xiàn)施加低頻電磁場(chǎng)后鑄錠組織會(huì)變得更加均勻細(xì)小，疏松等缺陷也得到一定程度的改善。可見(jiàn)，低頻電磁場(chǎng)對(duì)鋁合金鑄錠內(nèi)疏松作用尚有待深入研究。

3.4.2 施加熔體強(qiáng)剪切的影響

熔體強(qiáng)剪切技術(shù)[34]是在常規(guī)DC鑄造的基礎(chǔ)上在結(jié)晶器內(nèi)安裝轉(zhuǎn)子-定子型熔體強(qiáng)剪切裝置(如圖4所示)。

圖4 熔體強(qiáng)剪切裝置示意圖Fig.4 Schematic illustration of the high shear device in melt

在運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)定子與轉(zhuǎn)子之間的細(xì)小間隙和定子上的開(kāi)孔對(duì)熔體產(chǎn)生高強(qiáng)度剪切作用。由于轉(zhuǎn)子是高速旋轉(zhuǎn)的，在離心力作用下熔體從定子上的開(kāi)孔噴出，同時(shí)從裝置底部不斷吸入熔體。所以熔體強(qiáng)剪切裝置既可以產(chǎn)生強(qiáng)剪切作用，也能在熔體中產(chǎn)生強(qiáng)制對(duì)流。在強(qiáng)剪切和強(qiáng)制對(duì)流的作用下，不但使更多的枝晶破碎同時(shí)熔體內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布也更加均勻。施加熔體強(qiáng)剪切與施加低頻電磁場(chǎng)類(lèi)似，其也是通過(guò)影響液穴內(nèi)兩相區(qū)的寬度以及晶粒的生長(zhǎng)方式來(lái)影響疏松的形成。組織細(xì)化使枝晶搭接后形成的區(qū)域變得細(xì)小且均勻，對(duì)集中疏松或大尺寸疏松起到一定的改善作用。但同樣其與施加低頻電磁場(chǎng)一樣也會(huì)使兩相區(qū)寬度有所增加[35]，糊狀區(qū)的補(bǔ)縮和排氣條件因此而惡化。Li等人[36-37]研究A4032鋁合金發(fā)現(xiàn)施加熔體強(qiáng)剪切后可以使晶粒尺寸和二次枝晶臂間距得到明顯細(xì)化，與常規(guī)DC鑄造相比施加熔體強(qiáng)剪切后鑄錠中的疏松占比也由0.4%降至0.15%。但值得在注意的是：剪切裝置的轉(zhuǎn)速以及在液穴內(nèi)存在位置的不同對(duì)枝晶的破碎作用會(huì)有所不同；熔體內(nèi)部溫度場(chǎng)分布的情況也會(huì)存在一定差異。這些因素勢(shì)必會(huì)對(duì)疏松的形成過(guò)程造成影響，因此需要對(duì)不同剪切條件下DC鑄錠內(nèi)疏松的尺寸、分布特征以及形成機(jī)制進(jìn)行更加系統(tǒng)的分析，以便更好地發(fā)揮熔體強(qiáng)剪切對(duì)DC鑄錠內(nèi)疏松缺陷的改善作用。

3.4.3 施加超聲場(chǎng)的影響

超聲場(chǎng)是通過(guò)裝置產(chǎn)生某一強(qiáng)度的超聲波后引起壓力沖擊波改變結(jié)晶器內(nèi)熔融金屬的凝固過(guò)程從而對(duì)鑄錠組織進(jìn)行優(yōu)化。Abramov以及中南大學(xué)Zhang和陸向科[38-40]等人研究發(fā)現(xiàn)在半連續(xù)鑄造過(guò)程中施加超聲場(chǎng)可以有效地細(xì)化晶粒并且抑制裂紋、疏松等缺陷的產(chǎn)生。其主要從兩方面抑制疏松的形成[41]：通過(guò)細(xì)化晶?？刂剖杷沙叽?；超聲波產(chǎn)生的空化和聲流效應(yīng)促進(jìn)熔體和糊狀區(qū)內(nèi)氣體的排出，其中聲流效應(yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)制對(duì)流可以提高熔體的流動(dòng)性，進(jìn)而提高糊狀區(qū)熔體的滲透率。

振動(dòng)頻率、溫度以及處理時(shí)間均會(huì)對(duì)疏松的數(shù)量、尺寸產(chǎn)生一定影響。隨處理時(shí)間的增加，疏松的數(shù)量逐漸減少。但處理時(shí)間達(dá)到一定值后，再增加時(shí)間其疏松數(shù)量無(wú)明顯變化。其次，由于較低溫度下熔體的流動(dòng)性較差使氫氣不易排出，所以應(yīng)選擇在較高溫度下施加超聲場(chǎng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

由上述分析可知，凝固過(guò)程中凝固前沿的枝晶搭接、凝固方式等對(duì)熔體滲透率和氣體排出阻力的影響是導(dǎo)致鋁合金凝固過(guò)程中形成疏松的主要原因。此外，液相中氫含量對(duì)疏松的形成也具有重要影響。在DC鑄造前，鋁合金熔體要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的除氣處理，盡可能通過(guò)降低液相中的氫含量來(lái)抑制鑄錠中疏松形成。當(dāng)下鋁合金生產(chǎn)過(guò)程中，需要通過(guò)添加合金元素控制產(chǎn)品性能，通過(guò)添加細(xì)化劑細(xì)化晶粒。一些合金元素的添加會(huì)增加兩相區(qū)寬度，而細(xì)化劑的添加會(huì)使柱狀轉(zhuǎn)變成羽毛晶，這些因素在一定程度上會(huì)促進(jìn)疏松的形成的；但組織細(xì)化會(huì)抑制鑄錠中心大尺寸浮游晶粒的形成，對(duì)鑄錠中心出現(xiàn)的集中疏松或大尺寸疏松起到一定的改善作用。DC鑄錠中的疏松缺陷無(wú)法完全消除，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該盡量避免大尺寸疏松和集中疏松的形成。通過(guò)優(yōu)化鑄造工藝參數(shù)(如鑄造速度、澆注溫度)降低兩相區(qū)的寬度來(lái)提高糊狀區(qū)內(nèi)熔體的滲透率，并且通過(guò)施加外場(chǎng)來(lái)減少大尺寸浮游晶粒數(shù)量是減小疏松尺寸，避免形成集中疏松的有效手段。