半固态合金熔体制备研究*(2)

上述半固态合金非枝晶组织形成内在机制虽然不同，但可以看出，外界的干预会影响非枝晶的形成机理，故寻找更好的干预树枝晶形成、促使形成近球状的非枝晶组织方法即半固态熔体制备方法是外在突破思路。

3 半固态合金熔体制备方法

半固态合金熔体的制备方法很多，本质上都是控制熔体凝固，使其形成的固相不是自然凝固形成的树枝晶，而是非枝晶组织。从凝固控制的原理来看，主要是强化对流、外加物理场、晶核游离等。

3.1 机械搅拌法

机械搅拌法是制备半固态合金熔体最早、采用最成熟的方法，其原理是在装有熔融合金液的容器中，使用搅拌棒对凝固中的熔体进行强烈的机械搅拌，熔体在搅拌力下产生强化对流，凝固过程中生成的树枝晶被打碎成为非枝晶颗固相组织，悬浮于未凝固的液相中，形成固液共存的半固态合金熔体。周岐等采用变温机械搅拌方法制备AlSi7Mg合金半固态熔体时发现：增加搅拌中的剪切速率对半固态熔体组织形貌影响不大，冷却速度是影响其组织形貌的重要因素，但大的剪切速率可以保证合金熔体内的温度场和熔质场更均匀，减少凝固的初生固相发生团聚现象，在温度场、熔质场均匀的前提下，调整合适的冷却速度，可以制备近球状晶组织的合格半固态合金熔体。其他研究也表明，搅拌时间和搅拌温度也是影响半固态熔体组织形貌的因素。故机械搅拌中，控制工艺参数是制备半固态合金熔体的关键，在实际的搅拌过程当中，许多工艺参数的控制难度较大，在控制的过程中，很容易发生卷气等缺陷。同时，搅拌棒与容器因直接接触会对熔体造成污染，且二者之间存在着搅拌死角，对半固态熔体的质量会有一定的影响。

3.2 电磁搅拌法

电磁搅拌法是半固态合金熔体制备技术中占主导地位的一种方法，其利用的是外加物理场旋转磁场，在合金液内产生感应电流，在电磁力的作用下合金熔体发生强制对流，达到等同于机械搅拌的目的，制得半固态合金熔体。电磁搅拌法最大的优势在于对铝合金半固态熔体不会造成污染，熔体纯净，并且卷入的空气量较少，熔体不会受到太大的氧化效果。电磁搅拌法还可以实现连铸，有效地提高了工业生产效率，故电磁搅拌制备半固态熔体在半固态成形应用中应用最广。

电磁搅拌法也存在一定的缺陷，电磁感应具有“集肤”效应，表层感应电流大，中心感应电流几乎为零，使得铝合金半固态熔体受到的电磁搅拌力表层大、内部小，制备的半固态熔体组织分布不均且形状不一。为了克服这一缺点，罗庆来等发展了环缝式电磁搅拌方法，成功制备了晶粒细小、形貌圆整均匀的A357铝合金半固态熔体；张磊等利用低压脉冲磁场成功制备了初生α-Al相为细小的球状或近球状的ZL101A半固态铝合金熔体。

3.3 液相线铸造法和斜坡法

液相线铸造法是一种工艺简单、生产效率高的制备半固态合金熔体方法。该方法不需外加的搅拌装置，只需要精密的温度控制，在浇铸前控制熔体温度在稍高于液相线温度范围内保温一定时间并形成游离的晶核，浇铸时采用一定的冷却速度进行浇铸，大量游离晶核同时在熔体中均匀产生，成形的铸件具有细小的非枝晶的半固态合金熔体组织。

斜坡法同样是一种无搅拌制备半固态合金熔体方法。该方法是熔体在成形前，流经一个具有冷却作用的斜坡，因斜坡的冷却作用，增加熔体凝固中的形核数量，起到晶粒细化的作用。在此方法引导下，又陆续发展出了转动斜管法、蛇形通道浇注法、波浪型倾斜板浇注法和阻尼冷却管法等。

3.4 超声波处理法

超声波处理法是一种新兴的半固态合金熔体制备方法。超声波处理法利用了超声波的声流空化效应和热效应的三大效应机理制备半固态合金熔体。热效应主要为熔体凝固提供大的能量起伏，促进形核；声流空化效应会产生周期性的应力和声压变化，从而在局部产生周期性的高温高压效应，使得熔体产生空化和搅动，破坏熔体的机构完整性，形成空化泡，随着超声功率的增加，熔体中形成的越来越多的空化泡发生崩碎，崩碎时产生的冲击波促使熔体等效过冷度提高，从而促进形核；熔体的搅动也会使得生成的枝晶臂断裂，成为新的形核核心，进一步抑制树枝晶的长大，获得细小的晶粒组织。但超声波处理法工艺较为复杂，设备的成本高，因此在工业生产中没有得到广泛应用。

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