導讀

利用Fluent軟件對2219鋁合金連鑄過程進行數值模拟，并通過小鑄錠模拟試驗結合數值模拟研究連鑄過程中最佳超聲施加方式，以達到使鑄坯晶粒組織細小均勻的目的。結果表明，凝固速度不同導緻鑄坯内晶粒組織不均勻，超聲施加方式對晶粒細化效果影響較大；當凝固時間為4 min時，在第1 min加超聲細化效果較為均勻，晶粒尺寸細化約為24.5%；在凝固末期施加超聲細化效果存在較大梯度，沿作用方向降低。連鑄中寬度方向中部施加超聲作用，探頭應位于糊狀區上方。

2219鋁合金屬于可熱處理強化的2xxx系鋁合金，具有較高的比強度和良好的焊接性能以及力學性能，工作溫度範圍為-250~300 ℃，因而在航空航天領域獲得廣泛的應用，常被用來制造運載火箭燃料貯箱、飛機蒙皮和結構件等。航空航天等領域的發展對更大規格鋁合金構件的需求越來越大。而對于大規格的鋁合金鑄錠，由于金屬凝固過程存在尺寸效應，尺寸越大的鑄錠凝固速度越慢，宏觀偏析、縮孔、縮松等冶金缺陷越嚴重，常規手段難以克服。

中科院金屬所提出的超大尺寸金屬構築成形技術，突破原來 “以大制大”獲得大鍛件的思路局限，提出“基材構築、以小制大”的理念，将小型均質化鑄坯作為基元，通過表面加工、清潔組坯、真空封裝、高溫形變等技術，獲得超厚尺度均質化大鍛坯，通過後續鍛造與熱處理，制造高性能均質大鍛件。該技術的先決條件是構築組織性能均勻的鑄坯，為滿足均質化要求，需要針對鑄坯中晶粒尺寸差異較大的區域進行細化，使整體晶粒尺寸達到同一水平。關于超聲在鑄造過程中的應用及作用機理的研究已經很多。但由于超聲作用範圍有限，在尺寸較大鑄錠的連鑄過程中，需要施加多個超聲探頭針對晶粒組織粗大區域進行細化，所以确定連鑄過程中需要施加探頭的位置亟待解決。

本研究選用截面尺寸為200×1000 mm的2219鋁合金作為研究對象，在電磁鑄造過程中研究寬度方向上的超聲施加方式。基于Fluent軟件，對連續鑄造過程進行數值模拟分析，根據熔池形貌及鑄錠不同位置的糊狀區尺寸，判斷鑄錠不同位置凝固速度的差異性。由于200×1000鑄錠成中心對稱，所以取1/4鑄錠進行建模及網格劃分。本模型全部采用六面體網格，并對澆注入口等流速較大區域進行網格加密。

電磁鑄造示意圖見圖1。當金屬液由流槽流出後，電磁場産生的電磁力使液柱呈半懸浮狀态，與結晶器無物理接觸，後經底模及冷卻水冷卻凝固成坯殼，逐步引錠成形。所以在本模型中，鑄錠液固界面上部視為在空氣中懸浮的熔融金屬液，鑄錠下部為水幕冷卻下的凝固坯。

圖1 電磁鑄造示意圖

為方便模拟計算的進行，做如下基本假設：①鋁熔體為不可壓縮流體；②固-液界面假設為無滑移邊界，即壁面處速度為0；③視鑄錠上表面為平面；④忽略固、液相的密度差。數值模拟計算參數見表1。

從鑄錠中心部位沿寬度方向取截面，其熔池及糊狀區形貌的模拟結果見圖2。由于表面激冷，鑄錠内部的固液界面呈向下的弧狀，從邊部到心部糊狀區逐漸變厚，凝固速度相應逐漸減小。選取圖2中區域a~c，糊狀區厚度分别為5、10和20 cm，根據拉坯速度，可知相應凝固時間為1、2、4 min。

圖2 截面糊狀區分布圖

1 凝固模拟試驗

為達到晶粒尺寸均勻的目的，針對不同位置凝固時間，利用小鑄錠進行模拟試驗，分析不同凝固時間下的組織差異，并探究需要施加超聲的位置及超聲施加的方法。由于在連鑄過程中超聲探頭的位置固定，其作用效果隻針對同一片區域内具有相同特征（固相率）的熔體，且作用時間受拉坯速度限制。本研究為規避小鑄錠與連鑄凝固特點上的差異并保證熔體組織穩定，根據所選連鑄參數，固定超聲作用時間為1 min，該時間下熔體在小區域範圍内呈現相對一緻的凝固特征。

試驗使用可控溫的SG2-5-10型井式電阻爐熔煉2219鋁合金，原材料為工業純鋁（純度>99.7%，質量分數，下同）、Al-50Cu、Al-5V、Al-10Mn、Al-5Zr、Al-5Ti中間合金。具體熔煉步驟為：将純鋁随爐升溫加熱至熔化，待熔體溫度達到730 ℃時加入其它中間合金，保溫至完全熔化後，待熔體溫度升至730 ℃時進行攪拌和精煉處理，最後當熔體溫度穩定在730 ℃時，澆注到不同預熱溫度的圓柱型模具中制備小鑄錠。試驗配料鋁熔體總量為4 kg，将模具預熱溫度分别控制在20、150及500 ℃，從而使凝固時間分别為1、2和4 min。超聲設備最大功率為450 W，前部探頭選用直徑為30 mm的不鏽鋼探頭。超聲探頭下開始每隔1.5cm進行一次取樣，将試樣抛光腐蝕後，在LEICA DMi8金相顯微鏡和JXA-8530F Plus型電子探針（EPMA）上進行晶粒尺寸觀察及合金第二相形貌分析。

2 不同凝固時間對晶粒尺寸的影響

在鑄造過程中，凝固速度對合金的顯微組織影響顯著。在連續鑄造過程中，冷卻水全部集中在鑄錠表面，而由于鑄錠尺寸偏大，鑄錠内部的冷卻強度遠弱于鑄錠表面，這種不同部位冷卻速度的差異造成了鑄錠組織的不均勻性。

由于當溫度為600 ℃時2219鋁合金的固相率已經達到80%以上，所以取凝固時間為澆注完畢至熔體降至600 ℃的時間，誤差控制在10s以内。圖3為凝固時間1、2和4 min的金相組織，可以發現，鑄錠的微觀組織主要以等軸晶及少量枝晶組織為主，并且随着凝固時間的延長，晶粒尺寸整體呈增大趨勢。總體凝固時間為1 min和2 min的鑄錠，晶粒大小分别為96.0和99.6 μm，雖然有增大的趨勢，但尺寸差值不到5%。可見，在這兩種凝固時間對應下的區域，晶粒尺寸相差不大，不需要進行超聲細化。而凝固時間為4 min的鑄錠，晶粒大小達到137.4 μm，與凝固時間為1 min的鑄錠相比，差值達到43.1%。因此，為實現晶粒組織均勻的目的，需要針對這一凝固速度下的區域施加超聲進行晶粒細化。

圖3 不同凝固時間下晶粒尺寸

3 凝固初期超聲對晶粒尺寸的影響

對凝固時間為4 min的模拟鑄錠，在凝固的第1 min開始施加450W超聲作用，其探頭下不同距離的金相組織見圖4。結果表明在超聲的作用下，微觀組織由枝晶轉變為等軸晶組織，晶粒尺寸明顯減小且組織均勻。利用Image Pro Plus軟件對距探頭不同距離的試樣進行晶粒尺寸測量，并與未加超聲試樣進行對比。分析表明，超聲對晶粒尺寸具有顯著的細化效果，且在本試驗條件下随着距探頭距離的增加，細化效果并沒有減弱，在高度方向上細化作用較為均勻，平均晶粒尺寸細化至103.8 μm，對比同等凝固時間下未加超聲作用鑄錠的晶粒尺寸，細化了24.5%。

圖4 凝固第1min超聲距探頭不同距離金相組織

4 凝固末期超聲對晶粒尺寸的影響

對凝固時間為4 min的模拟鑄錠，在凝固的最後1 min施加450 W超聲後的晶粒組織見圖5。對晶粒尺寸進行統計對比後發現，超聲對晶粒尺寸的細化效果随着距探頭距離的增大明顯下降。在距探頭0cm和1.5cm處的平均晶粒尺寸差距較小，而随着距離的繼續增大，超聲細化效果急劇衰減，在探頭下3cm處出現枝晶組織，且晶粒尺寸接近未加超聲時水平，細化效果不到5%。在這種超聲施加方式下，超聲細化效果随着距探頭距離的增大，超聲作用效果越來越弱，與同等條件下在凝固初期施加超聲的作用效果具有較大差異。

圖5 凝固最後1min超聲距探頭不同距離金相組織

5 超聲對凝固末期第二相形貌的影響

超聲對鑄錠的第二相組織具有相似的細化效果，見圖6。在2219鋁合金中，除Cu之外的元素含量較少， Zr、V、Ti等元素主要形成細小的金屬間化合物并均勻分布在合金基體中，所以合金中的第二相主要為Al2Cu相。

在EPMA下觀察距探頭不同距離樣品的顯微組織分布發現，未施加超聲的樣品Al2Cu相沿晶界呈連續的骨骼狀的分布；而施加450W超聲作用後，探頭下樣品的Al2Cu相出現明顯的破碎狀，沿晶界分布的長條相細化為破碎的點狀相和塊狀相；距探頭1.5cm的樣品Al2Cu相雖未出現明顯的破碎，但與未加超聲試樣的組織對比，呈現了明顯的細化效果，第二相連續性降低且尺寸減小。

圖6 距探頭不同距離第二相分布

6 不同凝固時間施加超聲作用機理分析

對比圖4和圖5可以發現，對凝固時間為4 min的模拟鑄錠，在凝固的第1 min加超聲與在凝固最後1 min施加超聲對晶粒的細化效果存在很大差異。原因主要是超聲作用區域的凝固狀态不同，固相率相差較大。對于連續鑄造過程來說，固相率不同意味着超聲作用于糊狀區的位置不同，而研究超聲探頭插入糊狀區的深度對指導連鑄過程超聲施加位置具有重要意義。為研究在連鑄過程中超聲探頭合理的插入深度，需要分析鑄錠中心區域的糊狀區分布及液相百分數随鑄錠高度的變化趨勢。由于超聲作用時間為1 min，根據拉坯速度及此區域的凝固時間，将糊狀區平均分為I、II、III、IV四個區域，每個區域的高度約為5cm，即每分鐘鑄錠向下移動的距離，見圖7。依照超聲作用區域及該區域固相率分析超聲作用差異原因，并探究适宜施加超聲的位置。

圖7 凝固區域劃分示意圖

當凝固時間為4 min時，在凝固第1 min加超聲，此時超聲探頭位于糊狀區頂部，超聲作用的主要階段為圖7中區域I，此區域的固相率約為10%。見圖8a，在此階段，鋁熔體開始凝固，在熔體中形成了細小的初始枝晶組織，作為後續形核的質點。此時施加超聲，大部分初始枝晶組織均懸浮于熔體之中，對超聲效果的阻礙作用并不明顯。在超聲的空化作用下，探頭下一定範圍内形成大量微小的空化泡，這些空化泡迅速破裂并瞬間産生局部的高溫高壓，釋放出巨大的能量，從而破碎了熔體中先形成的細小枝晶，使其成為微小顆粒懸浮于熔體之中。同時，由于鋁熔體存在負載阻抗，導緻超聲聲能的損耗，造成在超聲探頭下沿傳播方向存在一定聲壓梯度；由于距探頭不同距離存在聲壓壓差，從而在一定範圍内引起了熔體的對流。由于聲流效應，探頭下破碎出的細小懸浮顆粒随熔體流向鑄錠底部，最後均勻分布于探頭下的熔體中。在停止超聲作用後，随着熔體的逐漸凝固，這些被打碎的枝晶顆粒将作為異質形核質點，提高熔體的形核率，從而形成了在一定範圍内均勻細化的效果。

圖8 超聲效果示意圖

在凝固時間為4 min條件下，凝固末期施加超聲作用，超聲探頭伸入糊狀區15cm，此時超聲的主要作用階段為圖7中區域IV，固相率已經達到60%以上。見圖8b，在此凝固區間，糊狀區已經形成了粗大的枝晶組織。此時施加超聲，在超聲空化的作用下，粗大枝晶組織破碎并懸浮于熔體之中，但由于此時液相占比已經很低，熔體的流動性很弱，這些破碎的枝晶無法被運輸到其它區域，所以探頭底部的組織成明顯的破碎狀。并且随着距探頭距離的增大，超聲聲壓逐漸降低，發達的枝晶組織對超聲的衰減作用很明顯，當達到一定距離時，空化作用已經不足以打破某些粗大的枝晶壁，導緻對枝晶的破碎效果下降，從而出現随着距探頭距離的增大，晶粒細化效果逐漸降低的現象。随着距離的繼續增大，固相率進一步提高，固态樹枝狀結構已經基本形成，由于缺少液相，超聲對這一區域的細化效果急劇衰減，晶粒尺寸基本與未加超聲的相同。

7 結論

（1）對比不同凝固時間鑄錠的金相組織可知：随着凝固時間的延長，晶粒尺寸整體呈增大趨勢，本研究條件下凝固時間為1 min和2 min時相差不大，凝固時間為4 min時晶粒尺寸差達到43.1%。

（2）不同超聲施加方式對超聲的作用效果存在較大影響。當凝固時間為4 min時，在凝固初期超聲對晶粒組織的細化效果最佳且較為均勻；在凝固末期超聲的晶粒細化效果随着距探頭距離的增大明顯衰弱，在探頭下3 cm處逐漸達到未施加超聲水平。因此超聲探頭位于糊狀區頂部時，超聲作用效果最佳。

（3）超聲對第二相與對基體組織具有相似的細化效果，探頭下0 cm處Al2Cu相呈明顯的破碎狀，随着距探頭距離的增加，細化效果逐漸減弱。

文獻引用格式：王宇钊，孟令剛，亞斌，等. 超聲場對2219鋁合金連鑄坯晶粒尺寸的影響.特種鑄造及有色合金，2021,41（10）：1245-1250.

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