徐大召，孟令剛,2，楊春峰，姜明希，范永飛，亞 斌,2，張興國,2

(1.大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024) (2.大連理工大學(xué)寧波研究院，浙江 寧波 315000)

1 前 言

高性能鋁合金因低密度、高比強(qiáng)度和高斷裂韌性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、 海洋工程和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域[1, 2]，其研發(fā)及應(yīng)用對(duì)我國重大裝備輕量化和節(jié)能減排具有關(guān)鍵性作用。隨著制造業(yè)的快速轉(zhuǎn)型升級(jí)，鋁合金構(gòu)件朝著大型化、一體化、更輕量化的方向發(fā)展，對(duì)超高強(qiáng)鋁合金的綜合性能和先進(jìn)加工成型技術(shù)等方面提出了更高的要求。

高性能鋁合金構(gòu)件的制備需要晶粒細(xì)小、成分均勻的鋁合金鑄錠。然而，采用傳統(tǒng)鑄造方式生產(chǎn)的鋁合金鑄件常出現(xiàn)偏析、疏松、裂紋和成分不均勻等缺陷，嚴(yán)重降低高性能鋁合金的成材率和力學(xué)性能[3, 4]。凝固過程中產(chǎn)生的這些缺陷即使經(jīng)過后續(xù)處理，效果也非常有限，仍然無法滿足構(gòu)件對(duì)材料性能的要求[5]。

研究表明[6-8]，凝固過程中施加物理場能明顯改善熔體凝固條件，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)化組織和改善鑄造缺陷的目的。李軍文等[9]對(duì)固液兩相區(qū)較寬的Al-Si固溶合金施加機(jī)械攪拌，發(fā)現(xiàn)隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增加，機(jī)械攪拌使得等軸晶區(qū)域顯著增加并且細(xì)化了組織。機(jī)械攪拌法制備半固態(tài)漿料[10]，主要是利用機(jī)械攪拌產(chǎn)生的剪切力打碎生長的粗大晶粒，從而使得凝固組織變?yōu)榧?xì)小的等軸晶。Cui等[11]為改善合金表面質(zhì)量、減少宏觀偏析和消除裂紋，提出了一種無污染且有效的低頻電磁鑄造(low frequency electromagnetic casting, LFEC)技術(shù)，利用低頻電磁場改變結(jié)晶器中的熔體流動(dòng)方向，制備出了晶粒細(xì)小、高質(zhì)量的7055鋁合金鑄錠。Wang等[12]采用低頻電磁連鑄技術(shù)制備了2195鋁鋰合金，結(jié)果表明，低頻電磁場有效地消除了鑄造缺陷，顯著提高了合金元素的溶解度，并提高了后續(xù)時(shí)效過程中θ′-Al2Cu和T1-Al2CuLi相的數(shù)量密度。Zhao等[13]在傳統(tǒng)鑄造過程中采用電磁場與大塊熔體處理相結(jié)合的方法，通過電磁場驅(qū)動(dòng)熔體劇烈流動(dòng)，成功生產(chǎn)出成分均勻、晶粒細(xì)小的2219鋁合金鑄錠。

此外，在金屬凝固過程中施加脈沖磁場被認(rèn)為是一種細(xì)化晶粒、減少溶質(zhì)偏析、提高鑄件力學(xué)性能的有效手段。Li等[14]發(fā)現(xiàn)，在Al-Cu合金不同凝固階段施加低壓脈沖磁場(low voltage pulsed magnetic field, LVPMF)，能夠獲得細(xì)晶結(jié)構(gòu)組織。Jie等[15]在工業(yè)純鋁中施加脈沖磁場(pulsed magnetic field, PMF)，揭示了等軸晶的形成機(jī)制，闡明PMF產(chǎn)生的洛倫茲力能夠產(chǎn)生明顯對(duì)流，促進(jìn)等軸晶的形成。超聲波熔體處理技術(shù)作為另外一種經(jīng)濟(jì)有效的方法，利用超聲波獨(dú)特的空化、聲流和諧振等非線性效應(yīng)進(jìn)行熔體除氣和晶粒細(xì)化，能顯著提高鑄件成分均勻程度和力學(xué)性能[16, 17]。Subroto等[18]在中試規(guī)模直冷(direct chill,DC)鑄造工藝的流槽中施加了超聲處理，結(jié)果表明，流槽中進(jìn)行超聲處理使得鑄錠中心的晶粒尺寸相應(yīng)減小約50%。Todaro等[19]研究了超聲熔體處理對(duì)Al-19Si-4Fe合金宏觀偏析的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超聲熔體處理技術(shù)會(huì)對(duì)消除宏觀偏析產(chǎn)生積極作用。上述研究表明，在金屬凝固過程中施加外場能明顯改善鑄造缺陷，細(xì)化晶粒組織和消除偏析。

本文針對(duì)高性能鋁合金外場成型技術(shù)的技術(shù)原理和最新研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納總結(jié)，闡明外場在鑄造過程中細(xì)化組織的機(jī)制，并對(duì)鋁合金外場輔助半連續(xù)鑄造的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

2 鋁合金半連續(xù)鑄造工藝

傳統(tǒng)半連續(xù)直冷鑄造，簡稱DC鑄造。圖1a是鋁合金DC鑄造原理圖[20]，其工作流程如下：DC鑄造開始前，將帶有底模的引錠裝置升至結(jié)晶器內(nèi)，打開冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，鋁液通過分流槽流入由結(jié)晶器和底模形成的型腔中冷卻凝固形成坯殼。當(dāng)坯殼穩(wěn)定時(shí)，開啟拉坯裝置并以給定速度向下運(yùn)動(dòng)，鑄坯緩慢從結(jié)晶器中拉出，同時(shí)在二次冷卻水的作用下迅速冷卻。當(dāng)鑄錠達(dá)到一定長度時(shí)，鑄造停止。

鋁合金凝固過程中主要有3個(gè)不同特征的區(qū)域，即液相區(qū)、過渡區(qū)和固相區(qū)，如圖1b和1c所示[20, 21]。過渡區(qū)即固液共存的兩相區(qū)，由液相線和固相線的等溫線界定，進(jìn)一步可細(xì)分為漿狀區(qū)和糊狀區(qū)[21]，相應(yīng)區(qū)域微觀組織如圖1d所示。漿狀區(qū)內(nèi)合金粘性較小，枝晶可自由流動(dòng)，主要以熱溶質(zhì)對(duì)流為主，易形成心部正偏析；糊狀區(qū)內(nèi)合金粘性較高、流動(dòng)性差，自由枝晶不可移動(dòng)，主要以凝固收縮和枝晶變形為主，易形成心部負(fù)偏析和邊部正偏析[22]。漿狀區(qū)的熱溶質(zhì)對(duì)流、晶粒運(yùn)動(dòng)以及糊狀區(qū)的凝固收縮驅(qū)動(dòng)的對(duì)流是造成宏觀偏析的本質(zhì)原因。因此，為了減輕宏觀偏析，改善鑄錠表面質(zhì)量，獲得組織均勻、晶粒細(xì)小的鑄件，科研工作者嘗試通過在金屬凝固過程中施加外場來改善熔體凝固條件。

圖1 鋁合金直冷(DC)鑄造原理圖: (a) DC鑄造裝置，(b) 凝固坯料與熱流和相變有關(guān)的主要區(qū)域[20]；(c) DC鑄造中液相線和固相線的等溫線圖， (d) 相應(yīng)區(qū)域微觀組織[21]Fig.1 Schematic diagram of direct chill (DC) casting: (a) the equipment of DC casting, (b) the main regions of the solidifying billet with respect to the heat flow and phase change[20]; (c) isotherm diagram of liquidus and solidus in DC casting, (d) microstructure of the corresponding region[21]

3 外場在半連續(xù)鑄造中的應(yīng)用

3.1 電磁場在鑄造中的應(yīng)用

電磁鑄造(electromagnetic casting, EMC)主要是用電磁感應(yīng)器代替結(jié)晶器的一種無模鑄造技術(shù)，其鑄造原理如圖2a所示。通過交變感生磁場產(chǎn)生的洛倫茲力支撐和約束液態(tài)熔體，使金屬液柱保持半懸浮狀態(tài)，并維持液柱高度恒定[3]。在液柱上方添加屏蔽罩來調(diào)節(jié)電磁場的分布，使得電磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電磁力與金屬液柱的靜壓力平衡，從而盡量保證液柱側(cè)面呈豎直狀態(tài)。為保證液柱穩(wěn)定，電磁鑄造通常采用2000～3000 Hz的電磁場來約束液態(tài)熔體。作者團(tuán)隊(duì)通過電磁鑄造制備了多系鋁合金扁錠和圓錠，如圖2b所示。相比DC鑄造生產(chǎn)鋁合金，電磁鑄造過程中金屬與結(jié)晶器表面無接觸，凝固后鑄錠表面更加光滑，鑄錠的微觀組織由于電磁力的攪拌作用而明顯細(xì)化，如圖2c和2d所示。王少華等[23]采用電磁鑄造技術(shù)制備了2E12鋁合金鑄錠，結(jié)果同樣表明，電磁鑄造技術(shù)顯著改善了鑄錠的表面質(zhì)量，細(xì)化了晶粒，提高了力學(xué)性能。因此，與傳統(tǒng)DC鑄造相比，電磁鑄造鑄錠表面質(zhì)量高，組織細(xì)小均勻，但是液柱高度難于控制，對(duì)鑄造機(jī)的穩(wěn)定性要求較高[3]。

圖2 電磁鑄造(EMC)原理圖(a)，EMC生產(chǎn)的扁錠和圓錠(b)，EMC和直冷(DC)鑄造生產(chǎn)的3004鋁合金表面質(zhì)量對(duì)比(c)，EMC和DC鑄造生產(chǎn)的2024鋁合金微觀組織對(duì)比(邊部)(d)Fig.2 Schematic diagram of electromagnetic casting (EMC) (a), flat ingots and round ingots produced by EMC (b), comparison of surface quality of 3004 Al alloys produced by EMC and DC casting (c), microstructure comparison of 2024 Al alloys produced by EMC and DC casting (edge) (d)

低頻電磁鑄造技術(shù)是通過在結(jié)晶器外布置電磁感應(yīng)線圈，采用滲透能力強(qiáng)的低頻電磁場(低于50 Hz)來改變?nèi)垠w流動(dòng)和熱量傳輸，從而提高鑄錠質(zhì)量的一種鑄造方式。Wang等[24]定量研究了低頻電磁場對(duì)半連鑄5A90鋁合金鑄錠微觀組織和宏觀偏析的影響，結(jié)果表明，低頻電磁場具有細(xì)化微觀組織、改善鑄錠表面質(zhì)量以及減輕Mg和Li元素在鑄錠邊緣宏觀偏析的作用。圖3是低頻電磁鑄造的鑄錠與DC鑄造鑄錠微觀組織對(duì)比和凝固過程示意圖。由圖3可以看出，DC鑄造鑄錠的微觀結(jié)構(gòu)主要由尺寸較大的樹枝晶組成，且晶粒尺寸從鑄錠邊緣到中心逐漸增大。施加低頻電磁場后，鑄錠的晶粒形態(tài)由玫瑰狀枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸晶。同時(shí)鑄錠邊緣樹枝區(qū)寬度由DC鑄造的2.8 mm縮小至低頻電磁鑄造的1.9 mm，這表明低頻電磁鑄造工藝可以顯著細(xì)化晶粒并縮短鑄錠柱狀晶區(qū)的寬度。圖3g是DC鑄造和低頻電磁鑄造凝固過程示意圖，可以看出，微觀組織的細(xì)化和宏觀偏析的改善主要得益于洛倫茲力誘導(dǎo)的強(qiáng)迫對(duì)流使得溫度場變得更加均勻，兩相區(qū)深度變淺；同時(shí)彎月面的出現(xiàn)抑制了柱狀晶粒的生長。

崔建忠等[25]在低頻電磁鑄造的基礎(chǔ)上，在結(jié)晶器外同時(shí)施加與重力矢量方向平行的穩(wěn)恒磁場和交變磁場，開發(fā)了低頻電磁振蕩鑄造(low frequency electromagnetic vibrating casting, LFEVC)技術(shù)，并成功將該技術(shù)應(yīng)用在鋁合金半連鑄工藝中，制備出晶粒細(xì)小、組織均勻的7075鋁合金。半連鑄過程使用的穩(wěn)恒磁場和交變磁場分別是由通入一定強(qiáng)度的直流電和頻率為f的交流電的兩個(gè)感應(yīng)線圈產(chǎn)生。線圈中施加的交變電流產(chǎn)生交變磁場，交變磁場在熔體內(nèi)部感應(yīng)形成相同頻率的感應(yīng)電流密度，三者之間相互作用，從而在熔體內(nèi)部產(chǎn)生迫使熔體運(yùn)動(dòng)的力場，增加熔體流動(dòng)和振蕩，從而抑制枝晶生長、細(xì)化晶粒[26]。

為細(xì)化和球化半固態(tài)漿料晶粒，Zhu等[27]開發(fā)了一種新的流變鑄造工藝，即環(huán)形電磁攪拌(annular electromagnetic stirring, A-EMS)。Jun等[28]將環(huán)形電磁攪拌技術(shù)應(yīng)用于Al-Zn-Mg-Cu合金的半固態(tài)漿料中，結(jié)果表明，經(jīng)過環(huán)形電磁攪拌處理，合金組織均勻細(xì)小，成分宏觀偏析和力學(xué)性能均得到改善。為了利用環(huán)形電磁攪拌獲得大尺寸、高質(zhì)量的鋁合金鑄坯，Luo等[29]提出了一種新的均勻直冷(uniform direct chill,UDC)鑄造方法，即在熔體內(nèi)添加一個(gè)冷卻端由高純石墨制成的模內(nèi)冷卻器，將冷卻器與環(huán)形電磁攪拌耦合，實(shí)現(xiàn)從中心到表面的同時(shí)冷卻。結(jié)果表明，內(nèi)外熔體的強(qiáng)制冷卻對(duì)晶粒細(xì)化和組織均勻性具有顯著影響。為了研究均勻直冷鑄造中凝固前沿的流動(dòng)模式、溫度分布和凝固行為，Luo等[30]建立了均勻直冷鑄造過程的數(shù)值模型，并用來模擬7005鋁合金的均勻直冷鑄造過程，圖4是不同工藝下的鑄造原理示意圖、溫度與液相分?jǐn)?shù)的輪廓和顯微組織圖。結(jié)果表明，采用均勻直冷鑄造方法可以顯著改善熔體流動(dòng)方式、溫度分布和熔池深度，從而獲得細(xì)小均勻的顯微組織。

圖4 不同工藝下鑄造示意圖、溫度與液相分?jǐn)?shù)的輪廓和顯微組織圖[30]：(a～c) 普通直冷鑄造，(d～f) 均勻直冷鑄造Fig.4 Casting schematic diagram, contours of temperature and liquid fraction and microstructure during different processes[30]: (a～c) normal direct chill casting, (d～f) uniform direct chill casting

為解決粗晶、組織不均勻和宏觀偏析等問題，邱陽等[31]提出了一種新型電磁攪拌方法，即內(nèi)部電磁攪拌(internal electromagnetic stirring, I-EMS)。該方法是在半連續(xù)鑄造過程中將具有內(nèi)冷功能的電磁攪拌器插入熔體內(nèi)部，對(duì)熔體實(shí)現(xiàn)高效攪拌和均勻冷卻，從而制備出均質(zhì)鋁合金鑄錠[32]。圖5是內(nèi)部電磁攪拌鑄造示意圖和內(nèi)部電磁攪拌在7050鋁合金鑄造中的應(yīng)用，與普通直冷(normal direct chill,NDC)鑄造相比，內(nèi)部電磁攪拌通過增加形核、調(diào)節(jié)溫度場均勻性和降低液穴深度來細(xì)化微觀結(jié)構(gòu)；通過抑制熱溶質(zhì)對(duì)流、加強(qiáng)凝固收縮誘導(dǎo)的對(duì)流來降低宏觀偏析[33, 34]。此外，邱陽[35]利用數(shù)值模擬驗(yàn)證內(nèi)部電磁攪拌的可行性，結(jié)果表明，相比普通電磁攪拌，內(nèi)部電磁攪拌可以更高效地驅(qū)動(dòng)熔體流動(dòng)，且使熔體中不同位置的流動(dòng)速度差減小，加速了熔體間的傳質(zhì)和傳熱。

綜上所述，不同的電磁場技術(shù)均可實(shí)現(xiàn)減輕宏觀偏析，獲得組織均勻、晶粒細(xì)小的鑄錠的效果。相對(duì)于傳統(tǒng)半連續(xù)直冷鑄造，電磁鑄造獲得的鑄錠質(zhì)量高、表面光滑、致密度高，但是設(shè)備耗能多,液柱高度控制相對(duì)困難,對(duì)鑄造機(jī)穩(wěn)定性要求較高；低頻電磁鑄造的磁場滲透能力強(qiáng),液面擾動(dòng)大,熔體攪拌效果好,對(duì)晶粒細(xì)化有顯著效果，同時(shí)也能夠提高鑄坯的抗裂紋能力；低頻電磁振蕩鑄造技術(shù)加速熔體流動(dòng)的能力更強(qiáng)，晶粒細(xì)化更明顯。然而，當(dāng)鑄錠規(guī)格過大時(shí)，磁場穿透熔體內(nèi)部深度有限，電磁攪拌作用會(huì)相應(yīng)減弱。均勻直冷鑄造和內(nèi)部電磁攪拌改變了傳統(tǒng)由外向內(nèi)的換熱模式，大大加強(qiáng)了熔體間的傳質(zhì)和傳熱。然而，隨著鑄錠尺寸的增大，對(duì)應(yīng)的中心冷卻器和攪拌器也應(yīng)相對(duì)增大，從而使得熔體內(nèi)的溫度場難以精確控制，鑄造的穩(wěn)定性逐漸變差[35]。

圖5 內(nèi)部電磁攪拌鑄造示意圖(a)[34]和內(nèi)部電磁攪拌在7050鋁合金鑄造中的應(yīng)用(b)[33]Fig.5 Schematic of the internal electromagnetic stirring (I-EMS) casting (a)[34] and application of I-EMS in 7050 aluminum alloy (b)[33]

3.2 超聲場在鑄造中的應(yīng)用

功率超聲可以促進(jìn)活化、脫氣、過濾、非枝晶凝固和半固態(tài)變形等[36]。將功率超聲應(yīng)用于熔體中可以產(chǎn)生許多特殊效應(yīng)，如空化、聲流、機(jī)械沖擊和輻射等。圖6是超聲空化和聲流示意圖[37]。超聲空化，即在正弦聲波的正負(fù)壓交替過程中，空化氣泡經(jīng)歷形成、振蕩生長至最終崩潰的過程?？栈瘹馀荼罎⑺查g會(huì)釋放出大量的能量，從而改變?nèi)垠w凝固過程。同時(shí)，由于超聲波與熔體間的粘滯性，超聲波振幅沿傳播方向衰減，從而產(chǎn)生聲壓梯度驅(qū)動(dòng)熔體流動(dòng)，即聲流現(xiàn)象[37]。

圖6 超聲空化和聲流示意圖[37]Fig.6 Schematic diagram of ultrasonic cavitation and acoustic streaming[37]

超聲熔體處理(ultrasonic melt treatment, USMT)技術(shù)，是將功率超聲作用于熔體中，通過產(chǎn)生特殊物理化學(xué)反應(yīng)達(dá)到細(xì)化晶粒、減輕宏觀偏析效果的一種熔體處理技術(shù)。高純鋁靶材被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)集成電路、液晶顯示器面板以及光盤等器件的濺射膜。為保證高純度鋁的純凈度，不允許向熔體中添加細(xì)化劑，導(dǎo)致凝固過程中難以形成細(xì)小的晶粒組織，嚴(yán)重制約靶材和鍍膜的質(zhì)量和性能。作者團(tuán)隊(duì)采用一機(jī)四錠超聲場改性連鑄技術(shù)制備高純鋁靶材，其宏觀組織如圖7所示。一機(jī)四錠的工藝參數(shù)均一致，只有其中一支連鑄錠施加超聲處理(圖7b)，利用超聲空化和聲流效應(yīng)，使高純鋁熔體在進(jìn)一步純凈化的同時(shí)破碎或熔斷枝晶，增加熔體中的晶核數(shù)量，從而細(xì)化連鑄錠的凝固組織，制備出直徑為200 mm、長度為2000 mm、平均晶粒尺寸<700 μm的高純鋁連鑄錠，該鑄錠的平均晶粒尺寸較未施加超聲處理的連鑄錠降低約40%。

圖7 一機(jī)四錠高純鋁連鑄坯宏觀組織：(a, c, d) 未施加超聲處理，(b) 施加超聲處理，其余參數(shù)均一致Fig.7 Macrostructure of high purity aluminum continuous casting billet with four ingots in one machine: (a, c, d) without ultrasonic treatment, (b) with ultrasonic treatment, other parameters are consistent

Huang等[38]將超聲熔體處理技術(shù)應(yīng)用到高純鋁的凝固中，發(fā)現(xiàn)在超聲波輻射桿下方的錐形區(qū)域內(nèi)，宏觀組織同樣得到了有效細(xì)化。Subroto等[18]研究發(fā)現(xiàn)，將超聲熔體處理技術(shù)應(yīng)用到直流鑄造流槽中是將其向工業(yè)規(guī)模推廣的有效途徑。Wang等[39]通過超聲熔體處理技術(shù)制備了細(xì)小等軸晶粒的 Al-2Cu合金，并研究了超聲探頭下晶粒形成的過程。結(jié)果表明，空化區(qū)中成核的大多數(shù)晶粒通過聲流傳遞到熔體中。此外，通過數(shù)值模擬描述了超聲處理產(chǎn)生的流體動(dòng)力場對(duì)微觀組織演化的影響，并得出了鑄造過程中聲流誘導(dǎo)的對(duì)流能顯著促進(jìn)形核和細(xì)化組織的結(jié)論[40]。Salloum等[41]在6系鋁合金DC鑄造過程中施加超聲處理，通過調(diào)整超聲探頭距熱頂?shù)撞康母叨萮和提高超聲功率達(dá)到了細(xì)化晶粒、減少宏觀偏析的效果，如圖8所示。結(jié)果表明，隨著超聲功率由2增加至3.5 kW，晶粒顯著細(xì)化；同時(shí)，降低h會(huì)導(dǎo)致鑄坯發(fā)生更明顯的晶粒細(xì)化，超聲引起樹枝晶破碎是其結(jié)構(gòu)細(xì)化的主要機(jī)制。模擬結(jié)果表明，超聲產(chǎn)生的聲流抵消了自然對(duì)流，從而影響晶粒的生長方向。

盡管超聲鑄造(ultrasonic casting,UC)在實(shí)驗(yàn)級(jí)金屬鑄造中得到了很好的應(yīng)用，但是對(duì)于大型鑄件來說，單功率超聲的作用可能有限。為了細(xì)化大型鑄件的晶粒結(jié)構(gòu)，可通過使用多個(gè)超聲探頭來放大超聲場在凝固過程中的作用[36]。Zhang等[42]在DC鑄造中應(yīng)用多源超聲熔體處理技術(shù)，成功制備了直徑為1380 mm、長度為4600 mm的超大型2219鋁合金圓鑄錠，如圖9a和9b所示。引入超聲熔體處理技術(shù)后，α-Al晶粒得到細(xì)化，且使得共晶相Al2Cu的團(tuán)聚得到緩解，如圖9c所示。圖9d顯示了DC鑄造和超聲鑄造中的熔體流動(dòng)示意圖。傳統(tǒng)DC鑄造中，在自然熱溶質(zhì)對(duì)流的作用下，熔體流向鑄錠中心，導(dǎo)致該區(qū)域富集溶質(zhì)，形成正宏觀偏析，共晶相粗化。當(dāng)引入超聲波時(shí)，超聲空化和聲流效應(yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)制熔體流動(dòng)與自然熱溶質(zhì)對(duì)流的方向相反，有效地緩解了凝固前沿的溶質(zhì)積累，粗化共晶網(wǎng)絡(luò)的形成概率明顯降低[42]。

長期以來，科研工作者嘗試探索超聲細(xì)化晶粒的主要機(jī)制，并將這主要?dú)w結(jié)為超聲聲流引起的枝晶斷裂或空化引起的非均勻形核[43]。然而，由于金屬熔體具有不透明性，故很難直接觀察到超聲場對(duì)熔體的作用。近期的原位凝固過程研究極大地促進(jìn)了研究人員對(duì)氣泡動(dòng)力學(xué)和聲流破碎枝晶作用的理解[44]。在超聲凝固微觀組織破碎的同步輻射X射線成像研究中，Wang等[44]表示，超聲的應(yīng)用可以產(chǎn)生混沌空化區(qū)并增強(qiáng)聲流;在靠近超聲探頭的區(qū)域，較高的聲壓產(chǎn)生的空化氣泡會(huì)與交變的聲壓場相振蕩，空化氣泡內(nèi)爆是其主要現(xiàn)象。內(nèi)爆氣泡和高速聲流可以有效分解凝固相和固液界面。存活和循環(huán)的破碎固相或晶?？梢杂行У刈鳛殡S后凝固過程中的胚胎或小尺寸晶粒，促進(jìn)凝固組織細(xì)化。Wang等[45]使用原位高速成像系統(tǒng)研究了透明合金在超聲場中樹枝狀結(jié)構(gòu)的疲勞破碎現(xiàn)象，如圖10所示。結(jié)果表明，當(dāng)超聲氣泡被困在枝晶間區(qū)域內(nèi)時(shí)，氣泡的振蕩會(huì)導(dǎo)致枝晶臂的循環(huán)彎曲，疲勞裂紋從枝晶臂根部開始并通過枝晶擴(kuò)展，導(dǎo)致枝晶破碎[45]。

圖9 多源超聲熔體處理系統(tǒng)示意圖(a)，代表性大型2219鋁合金鑄錠(b)，EBSD圖譜中的Al2Cu分布(c)，熔體流動(dòng)示意圖(d)[42] Fig.9 Schematic diagram of scalable ultrasonic melt treatment (USMT) system(a), representative ultra-large 2219 Al ingot(b), distribution of the Al2Cu in EBSD maps(c), schematic diagram of melt flow(d)[42]

圖10 原位高速成像觀察到超聲氣泡引起的枝晶臂破碎現(xiàn)象[45]：(a) 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，(b) 超聲氣泡示意圖，(c) 枝晶破碎現(xiàn)象Fig.10 In situ high-speed imaging observed the fragmentation of dendrite arms caused by ultrasonic bubbles[45]: (a) schematic diagram of experimental setup, (b) schematic diagram of the ultrasonic bubbles, (c) dendrite fragmentation phenomenon

4 多物理場數(shù)值模擬在鑄造中的應(yīng)用

由于在凝固成形過程中難以直接觀察到物理場如何影響熔體流動(dòng)和溫度分布，因此，多物理場數(shù)值模擬的應(yīng)用對(duì)研究復(fù)合場成型工藝具有十分重要的意義。

Hatic等[46]提出了一種低頻DC鑄造的數(shù)值模型，研究了低頻電磁力對(duì)溫度、液相分?jǐn)?shù)和流體流動(dòng)的影響。結(jié)果表明，電磁場可以改變液穴形狀，在300 A和20 Hz的電磁場下獲得較淺的液穴深度。Lebon等[47]首次在超聲處理下成功預(yù)測DC鑄造過程中的聲流及伴隨效應(yīng)，他們所提出的數(shù)值模型將聲空化、流體流動(dòng)、熱量和物質(zhì)傳遞以及凝固耦合起來，成功預(yù)測了液穴中的流場、聲場和溫度場，并針對(duì)鑄坯不同位置的晶粒形態(tài)進(jìn)行了驗(yàn)證。Salloum等[41]采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，成功揭示了超聲熔體處理技術(shù)影響6系鋁合金DC鑄造溫度分布、液穴形貌和產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)的機(jī)制。Yamamoto等[48]建立了一種考慮瞬態(tài)熔體流動(dòng)、傳熱、超聲傳播、聲流和凝固過程的DC鑄造數(shù)學(xué)模型，研究表明，超聲輻射改變了熔體的凝固行為和熔池形貌的演變。Chen等[49]采用二維軸對(duì)稱瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型，利用COMSOL Multiphysics軟件，將超聲場、流場和溫度場耦合，研究了AZ80合金DC鑄造中超聲流動(dòng)對(duì)物理場的影響，結(jié)果表明，聲流驅(qū)動(dòng)力顯著改變了熔體流動(dòng)和溫度分布。圖11是DC鑄造的熔體流動(dòng)和溫度場的建模結(jié)果，對(duì)比超聲鑄造結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超聲振動(dòng)顯著改變了流場，聲流驅(qū)動(dòng)加速了溶質(zhì)傳熱，使液穴變得更淺，溫度場分布更均勻。

圖11 直冷(DC)鑄造和超聲鑄造(UC)的流線(a)、速度場(b)和溫度場(c)對(duì)比[49]Fig.11 Comparison between DC casting and UC in terms of streamline (a), velocity field (b) and temperature field (c)[49]

5 結(jié) 語

隨著制造業(yè)的快速轉(zhuǎn)型升級(jí)，我國重大裝備鋁合金構(gòu)件朝著大型化、一體化、更輕量化的方向發(fā)展，這對(duì)高性能鋁合金部件提出了更嚴(yán)苛的要求。傳統(tǒng)鑄造工藝所制備的鋁合金鑄錠存在著難以避免的鑄造缺陷，在傳統(tǒng)鑄造工藝的基礎(chǔ)上施加物理場實(shí)現(xiàn)外場輔助鑄造成型，將是改善鑄造缺陷、提高鑄件性能的有效方法。目前，對(duì)鋁合金鑄造成型的研究主要集中在傳統(tǒng)半連續(xù)鑄造、電磁鑄造、超聲鑄造和電磁/超聲鑄造等方面。本文著重概述了鋁合金半連續(xù)鑄造、電磁鑄造和超聲鑄造的工藝原理，并結(jié)合多物理場數(shù)值模擬在凝固中的應(yīng)用，簡要探討了多物理場在凝固過程中細(xì)化組織、提高力學(xué)性能方面的機(jī)制。多物理場細(xì)化機(jī)制主要體現(xiàn)在：洛倫茲力誘導(dǎo)強(qiáng)迫對(duì)流和改變?nèi)垠w流動(dòng)，提高溫度場的均勻性；聲流誘導(dǎo)強(qiáng)迫對(duì)流，聲流誘導(dǎo)枝晶疲勞斷裂，聲流效應(yīng)促進(jìn)溶質(zhì)傳熱；空化效應(yīng)促進(jìn)非均勻形核等。深入理解多物理場對(duì)組織的細(xì)化機(jī)制，對(duì)開發(fā)與研究高性能鋁合金外場成型技術(shù)具有重要的科研與使用價(jià)值。

隨著大型裝備鋁合金構(gòu)件的發(fā)展，關(guān)于高性能鋁合金外場成型技術(shù)制備高品質(zhì)鋁合金鑄件的研究可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：① 不斷優(yōu)化傳統(tǒng)鑄造工藝，努力發(fā)展新的鑄造成型工藝，如電磁/超聲復(fù)合場連鑄工藝；② 針對(duì)大型鋁合金鑄件，可采用多源超聲系統(tǒng)結(jié)合電磁攪拌實(shí)現(xiàn)多物理場增強(qiáng)細(xì)化效果；③ 加強(qiáng)對(duì)鋁合金外場成型技術(shù)的基礎(chǔ)研究，對(duì)物理場細(xì)化組織的機(jī)制仍有必要進(jìn)行更深入的研究與探討，在明確細(xì)化機(jī)制的基礎(chǔ)上開發(fā)新型復(fù)合場鑄造工藝與裝備；④ 多物理場數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的思路在復(fù)合場鑄造成型工藝上被普遍認(rèn)可，數(shù)值模擬的指導(dǎo)性作用變得尤為重要。

因此，深度發(fā)展多物理場數(shù)值模擬技術(shù)，將復(fù)合場鑄造成型與多物理場數(shù)值模擬相結(jié)合，以獲得更合理的工藝參數(shù)和鑄造方法，從而加快高性能鋁合金的研發(fā)進(jìn)度，提高工程效率，滿足工業(yè)發(fā)展對(duì)大尺寸、高品質(zhì)鋁合金的需求。