張嘉藝，劉 政，沈俊波

?

不同溫度場(chǎng)下半固態(tài)鋁?稀土合金初生相形貌

張嘉藝1，劉 政2，沈俊波2

(1. 江西理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，贛州 341000；2. 江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，贛州 341000)

利用Fluent軟件主要研究半固態(tài)A356稀土合金熔體在施加電磁攪拌后的溫度場(chǎng)分布規(guī)律以及電磁場(chǎng)對(duì)半固態(tài)A356稀土合金熔體中初生相形貌演變的影響。結(jié)果表明：在電磁攪拌相同時(shí)間(15 s)、不同頻率下，熔體在40 Hz時(shí)的溫度場(chǎng)較5 Hz、15 Hz和30 Hz時(shí)的分布更加均勻；半固態(tài)A356-Yb合金熔體經(jīng)620 ℃澆注，在電流頻率30 Hz時(shí)攪拌15 s，并在590 ℃保溫10 min，初生相的平均等積圓直徑為62.3 μm，平均形狀因子為0.78，此時(shí)，晶粒最圓整細(xì)小，組織形貌最佳。

半固態(tài)；A356稀土合金；電磁攪拌；初生相；溫度場(chǎng)分布

鋁合金半固態(tài)加工技術(shù)是目前較為先進(jìn)的高效、接近零余量的精確成形技術(shù)。通過施加外場(chǎng)、添加變質(zhì)劑、調(diào)節(jié)凝固工藝參數(shù)等方式來改變或控制其凝固過程進(jìn)而對(duì)其性能進(jìn)行改善。在半固態(tài)合金漿料制備中，電磁攪拌[1?5]是最主要的手段，歸因于其非接觸式的攪拌方式，克服了機(jī)械攪拌污染金屬漿料的不足，可獲得更細(xì)小均勻的等軸晶[6?9]，控制也靈活方便，也是迄今最成功的制備半固態(tài)鋁合金坯料的方法。電磁攪拌時(shí)，合金熔體受到擾動(dòng)而導(dǎo)致熔體流動(dòng)對(duì)合金元素的傳輸、晶粒的生長、溫度場(chǎng)的分布、合金最終的組織形貌[10?12]，以至于能否獲得合格的半固態(tài)漿料影響極大。以往的研究更多關(guān)注的是電磁攪拌強(qiáng)度對(duì)半固態(tài)初生相形成和形貌演變的影響[3?5, 9?11, 13?14]，很少涉及對(duì)合金熔體溫度場(chǎng)的影響以及對(duì)初生相形貌演變的延伸效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)研究表明，施加電磁場(chǎng)能引起強(qiáng)制對(duì)流[15]，可使合金熔體內(nèi)部溫度場(chǎng)均勻化[16?19]，在這樣的溫度場(chǎng)環(huán)境下有利于晶核的形成和以等軸晶方式生長[10]。因此，由于熔體流動(dòng)狀態(tài)不同(例如電磁攪拌頻率、時(shí)間和攪拌方式影響)，所形成的溫度場(chǎng)分布也不同，有必要探究不同溫度場(chǎng)中半固態(tài)合金初生相的形核和形貌演變過程中隱含的信息與規(guī)律。

電磁場(chǎng)能在一定程度上細(xì)化半固態(tài)合金的初生相、二次相及共晶組織等，但是為了保證電磁攪拌之后的半固態(tài)合金漿料具有更合適的成形性能，通常在制備半固態(tài)漿料時(shí)添加稀土細(xì)化劑。半固態(tài)合金熔體受到電磁場(chǎng)擾動(dòng)時(shí)，其中的稀土元素在熔體流動(dòng)中的擴(kuò)散、分布等對(duì)合金最終的凝固組織形貌會(huì)產(chǎn)生極大影響[20]?？紤]熔體流動(dòng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響及其對(duì)半固態(tài)組織形貌影響的研究鮮見報(bào)道。為此，本文作者將針對(duì)電磁攪拌與稀土細(xì)化技術(shù)制備半固態(tài)合金漿料過程，利用Fluent流體力學(xué)軟件研究電磁結(jié)晶器的溫度場(chǎng)，探明其熔體不同部位的溫度分布情況以及對(duì)合金凝固組織形貌的影響。

1 Fluent模擬

將盛裝鋁熔液的結(jié)晶容器(坩堝)簡畫成圓柱體(半徑為3 cm、高為12 cm)，所研究的電磁場(chǎng)內(nèi)的流體為A356鋁熔液，其液態(tài)密度為2630 kg/m3，動(dòng)力黏度為1.2×10?5 kg/m，熱導(dǎo)系數(shù)為161 W/m，比熱為880 J/kg；而該合金的液相線溫度與固相線溫度分別為615.6 ℃(888.6 K)和576.1 ℃(849.1 K)。電磁場(chǎng)為交變場(chǎng)，其電磁場(chǎng)頻率分別設(shè)置為5 Hz、15 Hz、30 Hz和40 Hz，攪拌時(shí)間均為15 s。熔體澆注初始溫度參數(shù)設(shè)置為620 ℃(即893 K)。選用標(biāo)準(zhǔn)?湍流模型。磁場(chǎng)強(qiáng)度通過加載MHD磁場(chǎng)模塊導(dǎo)入，已知磁場(chǎng)強(qiáng)度公式為/e(其中為線圈匝數(shù)(實(shí)驗(yàn)所用為3個(gè)對(duì)極的電磁攪拌器，匝數(shù)為9)；為電流強(qiáng)度；e為樣品有效磁路長度(橫截面直徑為6 cm))，可知磁場(chǎng)頻率不同，勵(lì)磁電流也不同，在頻率為5Hz時(shí)，電流強(qiáng)度=0.425 A，磁場(chǎng)強(qiáng)度=63.75 A/m；頻率為15 Hz時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度=191.25 A/m；頻率為30 Hz時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度=382.8 A/m?？芍?，隨著磁場(chǎng)頻率增加，磁場(chǎng)強(qiáng)度也隨著增加。壁面采用黏性流動(dòng)壁面Wall界面來模擬其滑移壁面，其動(dòng)量方程、湍動(dòng)能方程和湍動(dòng)能耗散率均采用二階迎風(fēng)差分格式和SIMPLEC算法。

1.1 模擬計(jì)算

眾所周知，流體的運(yùn)動(dòng)一般要遵循3個(gè)基本守恒原則：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。當(dāng)鋁合金熔體在電磁攪拌器受到Lorentz力攪拌時(shí)，鋁合金熔體受電磁力的攪拌而發(fā)生運(yùn)動(dòng)。假設(shè)熔體流動(dòng)是不可壓縮流動(dòng)，且在電磁攪拌器內(nèi)為非定常流動(dòng)。不可壓縮流體連續(xù)性方程為

式中：v、v、v沿各自坐標(biāo)軸的變化相互約束，不可壓縮流體在流動(dòng)過程中雖有變化但是體積不變。

標(biāo)準(zhǔn)的?湍流模型適用范圍廣，計(jì)算量合適，有相當(dāng)?shù)木_度和數(shù)據(jù)積累，是個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式。其湍流能式為

式中：G表示速度梯度引起的湍動(dòng)能；G表示浮力引起的湍動(dòng)能；1s、2s和3s是常數(shù)；為常數(shù)；為湍動(dòng)能；σ和σ分別是方程和方程的Prandtl數(shù)；為湍流黏性系數(shù)。

為研究電磁場(chǎng)中流體運(yùn)動(dòng)首先運(yùn)用電磁方程理論，麥克斯韋總結(jié)出的電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)表達(dá)式，其Maxwell方程組為

采用MHD模塊導(dǎo)入磁場(chǎng)，KITAMURA等[21]給出MHD流體的?方程源項(xiàng)：；。其中，相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)分別為1=1.44和2=1.92。

采用MHD源項(xiàng)對(duì)?湍流方程進(jìn)行修正，使其能充分湍流流動(dòng)的影響，對(duì)于不可壓縮流體充分考慮其表面情況應(yīng)用條件，更加合理地模擬流體在電磁場(chǎng)中流動(dòng)。

1.2 溫度場(chǎng)模擬

根據(jù)所建立的模型，模擬計(jì)算了不同電磁場(chǎng)頻率(5 Hz、15 Hz、30 Hz和40 Hz)作用下攪拌終了時(shí)鋁合金熔體中的溫度場(chǎng)分布情況，其結(jié)果如圖1所示。

由圖1中可以看出，當(dāng)電磁攪拌頻率為5 Hz時(shí)，只有表面少部分熔體的溫度處于澆注溫度893 K(見圖1(a1))，且溫度降低幅度大，熔液內(nèi)部大部分的溫度都比澆注溫度低(見圖1(b1))，而且位于結(jié)晶器底部的鋁合金熔體的溫度大致在860 K左右(見圖1(c1))，已進(jìn)入固液兩相區(qū)。當(dāng)電磁攪拌頻率為15 Hz時(shí)，大部分處于結(jié)晶器表面的熔體溫度均在870 K左右，且均勻分布，只有處于邊緣部位極少熔體的溫度接近于澆注溫度(見圖1(a2))，而處于結(jié)晶器內(nèi)部的熔體溫度比結(jié)晶器表面的熔體溫度降低快(見圖1(b2))，處于結(jié)晶器底部的少部分熔體的溫度在830 K左右，處于固液相共存狀態(tài)。當(dāng)攪拌頻率為30 Hz時(shí)，由于攪拌頻率較高且攪拌功率較大，處于結(jié)晶器表面的熔體溫度分布較均勻約為850 K(見圖1(a3))，靠近結(jié)晶器壁的熔體溫度比結(jié)晶器中部的熔體溫度高(見圖1(b3))，而位于結(jié)晶器底部的熔體比結(jié)晶器表面和結(jié)晶器內(nèi)部的熔體溫度降低快且分布均勻(見圖1(c3))。當(dāng)電磁攪拌頻率增大到40 Hz時(shí)，模型側(cè)面即結(jié)晶器壁的溫度已趨于均勻?yàn)?70 K左右，此時(shí)比其他3個(gè)攪拌頻率溫度場(chǎng)更為均勻化(見圖1(a4)~1(c4))。

圖1 不同磁場(chǎng)頻率時(shí)鋁合金熔體的溫度場(chǎng)分布

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用A356鋁合金經(jīng)Magix(PW2424)X型熒光光譜儀分析，其實(shí)際成分如表1所列。

表1 實(shí)驗(yàn)用A356合金成分

將配置好的爐料預(yù)熱到300 ℃的石墨坩堝，在SG2?3?10型坩堝式電阻爐中進(jìn)行熔煉，熔化過程中，加入覆蓋劑(50%的NaCl和50%的KCl(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))進(jìn)行覆蓋，形成熔池后表面除渣，將爐溫緩慢升溫至720℃，分2~3次除氣精煉。精煉結(jié)束靜止1~2 min，將爐溫升至780 ℃，加入Al-5%Yb(質(zhì)量分?jǐn)?shù))中間合金，最終配置成Al-0.6%Yb(質(zhì)量分?jǐn)?shù))鋁合金，保溫10 min后降溫至液相線溫度620 ℃附近，采用低過熱度澆注和電磁攪拌制備半固態(tài)合金漿料。將液態(tài)合金澆注到60 mm×120 mm，壁厚2 mm的不銹鋼鑄模中。將液態(tài)合金在不同頻率(5 Hz、15 Hz、30 Hz和40 Hz)攪拌相同時(shí)間15 s；攪拌結(jié)束后迅速轉(zhuǎn)移至保溫爐中進(jìn)行等溫保溫處理(保溫溫度590 ℃(處于固液相線溫度之間)，保溫時(shí)間10 min)，結(jié)束后立即從保溫箱中取出對(duì)其進(jìn)行水淬并脫模。在各工藝條件下所獲得的試樣同一高度取10 mm厚的圓柱片，取出一個(gè)經(jīng)過圓心的扇形塊，作為金相試樣。金相試樣經(jīng)過預(yù)磨、粗磨、精磨和拋光后，采用0.5%HF(質(zhì)量分?jǐn)?shù))水溶液進(jìn)行顯微組織腐蝕，再采用ZEISS Axioskop2型光學(xué)顯微鏡拍取金相照片。利用Image-Pro-Plus軟件對(duì)金相試樣進(jìn)行晶粒度測(cè)量，計(jì)算出初生相的平均等積圓直徑(/π)1/2和形狀因子π/2(式中為晶粒面積；為晶粒周長)，值越小說明晶粒越小；值越接近1，表示晶粒圓整，晶粒越理想。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2所示為不同電磁攪拌頻率、相同攪拌時(shí)間下制備的半固態(tài)A356-Yb鋁合金的初生相形貌。由圖2可見，在較低頻率(如5 Hz)攪拌時(shí)，凝固組織主要是初生相和共晶相，其中初生相粗大，晶粒相當(dāng)不規(guī)整，且呈樹枝狀，二次枝晶發(fā)達(dá)，形狀大小不一，局部有少量的細(xì)小圓整的初生相晶粒，經(jīng)測(cè)量此時(shí)初生相的平均等積圓直徑為83.2 μm，形狀因子為0.53(見圖2(a))。由圖2(b)可明顯看出，初生相已有改善，粗大的枝晶被破碎，向球狀或薔薇狀改變，同時(shí)出現(xiàn)了細(xì)小的團(tuán)狀或顆粒狀的初生相。此時(shí)，初生相的平均等積圓直徑為68.7 μm，形狀因子為0.72。圖2(c)所示為電磁頻率30Hz攪拌后的試樣凝固組織。由圖2(c)可見，此參數(shù)條件下的初生相形貌達(dá)到最佳，試樣的顯微組織較常規(guī)澆注發(fā)生了明顯的改善，初生相得到了顯著的細(xì)化，幾乎不存在樹枝狀初生相，薔薇狀組織幾乎消失殆盡，長條狀的晶粒得到有效的破碎，破碎后的晶粒更加圓整、均勻，其初生相平均等積圓直徑為62.3 μm，形狀因子為0.78。圖2(d)所示為電磁頻率40Hz攪拌后的試樣凝固組織，可以觀察出其初生相形貌并沒有比圖2(c)的更圓整細(xì)小，甚至出現(xiàn)了粗大的枝晶，并有薔薇狀組織，其形貌與電磁攪拌頻率15 Hz時(shí)類似，此時(shí)初生相的平均等積圓直徑為66.8 μm，形狀因子為0.74。

圖2 不同電磁攪拌頻率下半固態(tài)A356-Yb鋁合金的初生α相形貌

圖3 半固態(tài)A356-Yb合金初生相的平均等積圓直徑和平均形狀因子

4 分析與討論

從實(shí)驗(yàn)中影響鋁合金初生相形貌的因素來看，電磁攪拌頻率是重要的影響因素。不同的攪拌頻率直接影響結(jié)晶器內(nèi)溫度場(chǎng)分布，進(jìn)而影響合金凝固后的初生相形貌。通入磁場(chǎng)時(shí)，電磁結(jié)晶器繞組及定子產(chǎn)生的熱量大部分由定子傳給結(jié)晶器機(jī)殼，機(jī)殼表面對(duì)流散熱傳遞給流體介質(zhì)，且速度越大熱量傳遞越多，大部分熱量由熔液表面散失到空氣中。其次，電磁場(chǎng)對(duì)熔液有一定攪拌作用，可以對(duì)熔液起加熱作用。但在空氣中高溫熔體遇冷迅速降低溫度，所以離結(jié)晶器表面越遠(yuǎn)，降溫速度越快。從低頻率增加到高頻率時(shí)，熔體表面溫度明顯成梯度變化，熔體內(nèi)部溫度減少趨勢(shì)減弱，中部溫度低，端部溫度高。隨著頻率升高，溫度差越小。在低頻電磁攪拌后，熔體由于強(qiáng)制對(duì)流而獲得均勻的溫度場(chǎng)，且隨著頻率()越大，磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快，流體產(chǎn)生能量越大，導(dǎo)致熔體內(nèi)部端部溫度越高。同時(shí)，頻率越大，電磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致熔液三維空間上的溫度場(chǎng)均勻化。從傳熱和傳質(zhì)方面分析，熔體在電磁攪拌作用下發(fā)生強(qiáng)制對(duì)流，產(chǎn)生熱效應(yīng)，根據(jù)Rosensweig的理論，熔體粒子在電磁場(chǎng)中功率損耗()公式：

由式(8)中可知：隨著頻率的增大，功率也隨著增加，若過大，熔體局部產(chǎn)生高溫，進(jìn)而導(dǎo)致熔體溫度升高，進(jìn)而降低了熔體的過冷度，不利于形成細(xì)小圓整的晶粒。同時(shí)，電磁攪拌使熔體加快了散熱效果，凝固初期，熔體釋放大量的結(jié)晶潛熱，攪拌頻率越大，潛熱釋放越多致使溫度場(chǎng)溫度升高，且該散熱過程使得熔體內(nèi)部溫度越發(fā)均勻，符合此研究模擬的結(jié)果，因此在40 Hz時(shí)，結(jié)晶器內(nèi)熔體的不同位置溫度都達(dá)到最大，且在各個(gè)觀察角度的溫度場(chǎng)分布最均勻。但是由于40 Hz攪拌頻率過大，導(dǎo)致熔體溫度升高，降低了熔體的過冷度，此條件下的合金凝固組織形貌并不是最理想，而是在30 Hz時(shí)，初生相更圓整細(xì)小。

前期的研究表明，半固態(tài)A356鋁合金初生相形貌具有分形結(jié)構(gòu)[22]，而分形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的物理機(jī)制在于系統(tǒng)的耗散性[23]。耗散結(jié)構(gòu)具有自組織特性[24]，即當(dāng)外界控制參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自發(fā)地調(diào)整與外界環(huán)境物質(zhì)、能量的交換方式及速率來改變其生長形態(tài)。對(duì)本研究來說，不同電磁攪拌頻率都將引起整體熔體中溫度場(chǎng)的溫度降低，也意味著冷卻速率增加，初生相與周圍環(huán)境的傳熱、傳質(zhì)速率和強(qiáng)度的增加，最終引起半固態(tài)初生相的形貌演化。

不同電磁攪拌頻率引起了半固態(tài)A356合金熔體中溫度場(chǎng)的變化，繼而造成半固態(tài)A356合金在不同溫度場(chǎng)中獲得不同的初生相形貌，說明初生相的形貌演變與溫度場(chǎng)有關(guān)。半固態(tài)A356合金在較低攪拌頻率(如5或15 Hz)攪拌時(shí)，熔體的溫度已在600 ℃左右，雖然熔體中的溫度不太均勻，但多數(shù)處于過冷狀態(tài)(見圖1(a1)~(c2))，此時(shí)熔體中可形成一定數(shù)量的晶核，有利于產(chǎn)生細(xì)小的初生相晶粒。當(dāng)電磁攪拌頻率進(jìn)一步增加(如30或40 Hz)時(shí)，由于攪拌力場(chǎng)的增大，熔體中流動(dòng)增強(qiáng)，散熱加快，熔體中的溫度進(jìn)一步降低，達(dá)到約590 ℃，且溫度較均勻(見圖1(a3)~(c4))，熔體中可形成較多的晶核，有利于初生相的細(xì)化。在隨后的等溫保溫過程中，由于原子擴(kuò)散及能量起伏等原因，合金會(huì)發(fā)生成分均勻化，初生相在等溫過程中進(jìn)行熟化[25]，導(dǎo)致枝晶分枝特征消失，形成薔薇狀晶。同時(shí)，與液相接觸的薔薇狀晶的凹凸邊界存在著曲率上的差異。由曲率與熔點(diǎn)的影響關(guān)系可知，小曲率半徑晶體的熔點(diǎn)要低于大曲率半徑的。凹谷部位曲率半徑小，其熔點(diǎn)低而首先熔化，繼而使該凹谷部位曲率進(jìn)一步增大，并最終熔斷變成小顆粒組織。此外，在Ostwald熟化機(jī)制的作用下，薔薇狀晶粒凸起部位將不斷長大，最終使得大晶粒變大而小晶體逐漸被熔化消失，凹凸部位逐漸抹平，形成近似球狀的組織[26]。此外，由于熔體中的晶粒在熱運(yùn)動(dòng)過程中不斷發(fā)生互相碰撞，位向合適的晶粒還會(huì)融合在一起，合并長大成粗大的晶粒。從能量角度來看，熔體中生成大量細(xì)小的晶核后，表面能較大，系統(tǒng)處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，晶粒的合并長大有利于系統(tǒng)能量的降低。保溫過程使得溫度場(chǎng)均勻，也使得宏觀溶質(zhì)場(chǎng)均勻，消除或大大減輕了成分過冷，減小了初生相生長時(shí)的過冷度，結(jié)果使得初生相的長大失去了方向優(yōu)先性[27]，同時(shí)，在Ostwald熟化機(jī)制的作用下，最終形成了球狀或顆粒狀的初生相。

5 結(jié)論

1) 半固態(tài)稀土鋁合金熔體在施加電磁攪拌后，經(jīng)Fluent軟件模擬后不同的頻率所產(chǎn)生的溫度場(chǎng)不同。攪拌頻率越大，潛熱釋放越多致使溫度場(chǎng)表明溫度升高。經(jīng)頻率為40 Hz電磁攪拌15 s，結(jié)晶器內(nèi)熔體的不同位置溫度都達(dá)到最大，且在各個(gè)觀察的角度溫度場(chǎng)分布最均勻。

2) 半固態(tài)A356-Yb合金于620 ℃澆注后經(jīng)頻率為30 Hz電磁攪拌15 s，并在590 ℃保溫10 min，能獲得較細(xì)小圓整的初生相組織，此時(shí)，平均等積圓直徑為62.3 μm，平均形狀因子為0.78。在實(shí)驗(yàn)研究范圍內(nèi)，其晶粒最圓整細(xì)小。

3) 當(dāng)攪拌頻率為40 Hz時(shí)，熔體溫度場(chǎng)分布最均勻，但當(dāng)電磁攪拌頻率為30 Hz時(shí)，半固態(tài)稀土鋁合金的初生相形貌達(dá)到最佳，晶粒最細(xì)小圓整。由于攪拌頻率過大，熔體局部產(chǎn)生高溫，進(jìn)而導(dǎo)致熔體溫度升高，進(jìn)而降低了熔體的過冷度，不利于形成細(xì)小圓整的晶粒，因此，并非溫度場(chǎng)越均勻在凝固后所得到的組織形貌越完美。

REFERENCES

[1] HANG C, JIN C J, YING F U, HONG J M, LI T J. Grain refinement of pure aluminum by direct current pulsed magnetic field and inoculation[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, 24(5): 1295?1300.

[2] 白云峰, 周月明, 嚴(yán) 彪, 張永杰，徐達(dá)鳴，郭景杰，傅恒志. 電磁場(chǎng)在材料凝固加工領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 鑄造, 2008, 57(2): 105?109.
BAI Yun-feng, ZHOU Yue-ming, YAN Biao, ZHANG Yong-jie, XU Da-ming, GUO Jing-jie, FU Heng-zhi. Application of electromagnetic field in materials solidification[J]. Foundry, 2008, 57(2): 105?109.

[3] OH S W, BAE J W, KANG C G. Effect of electromagnetic stirring conditions on grain size characteristic of wrought aluminum for rheo-forging[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2008, 17(1): 57?63.

[4] CHUL K J, CHANG H J, CHUNG G K. Effect of the process parameters on the formability, microstructure, and mechanical properties of thin plates fabricated by rheology forging process with electromagnetic stirring method[J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2014, 45(1): 193?211.

[5] WU H J, WEI N, BAO Y P, WANG G X. Effect of M-EMS on the solidification structure of a steel billet[J]. International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials, 2011, 18(2): 159?164.

[6] CHEN Z Z. Preparation of semi-solid A356 Al-alloy slurry by introducing grain process[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2012, 22 (6): 1307?1312.

[7] GAO S Y, LE Q C, ZHANG Z Q, CUI J Z. Grain refinement of AZ31 magnesium alloy by electromagnetic stirring under effect of grain-refiner[J]. Bull Mater Sci, 2012, 35(4): 651?655.

[8] METAN V, EIGENFELD K. Controlling mechanical and physical properties of Al-Si alloys by controlling grain size through grain refinement and electromagnetic stirring[J]. The European Physical Journal Special Topics, 2013, 220(1): 139?150.

[9] 朱艷麗, 趙君文, 李 徽. 電磁攪拌對(duì)7A04鋁合金大體積半固態(tài)漿料組織的影響[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2014, 24(11): 2735?2742.
ZHU Yan-li, ZHAO Jun-wen, LI Hui. Effect of electromagnetic stirring on microstructure of large-volume semi-solid slurry of 7A04 aluminum alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2014, 24(11): 2735?2742.

[10] 張景新, 張 奎, 劉國鈞. 電磁攪拌制備半固態(tài)材料非枝晶組織的形成機(jī)制[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2000, 10(4): 511?515.
ZHANG Jing-xin, ZHANG Kui, LIU Guo-jun. Formation mechanism of non-dendritic structure in semisolid metals produced by ES process[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2000, 10(4): 511?515.

[11] 陳 釗, 陳長樂, 溫曉莉, 文 軍. 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)凝固組織形成的影響[J]. 物理學(xué)報(bào), 2008, 57(10): 6277?6281.
CHEN Zhao, CHEN Chang-le, WEN Xiao-li, WEN Jun. Influence of rotating magnetic field on the formation of solidification microstructure[J]. Acta Physica Sinica, 2008, 57(10): 6277?6281.

[12] MOHAMMADI H, KETABCHI M, KALAKI A. Microstructure evolution of semi-solid 7075 aluminum alloy during reheating process[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2011, 20(7): 1256?1263.

[13] FAN Z, LIU G, HITCHCOCK M. Solidification behaviour under intensive forced convection[J]. Materials Science and Engineering A, 2005, 413/414: 229?235.

[14] 劉 政, 周翔宇. 分級(jí)電磁攪拌對(duì)半固態(tài)Al-Cu合金凝固組織的影響[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2015, 25(1): 49?57.
LIU Zheng, ZHOU Xiang-yu. Effects of stepped electromagnetic stirring on microstructure in semisolid Al-Cu alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2015, 25(1): 49?57.

[15] RITWIK R, PRASADA R A K, DHINDAW B K. Low- convection-cooling slope cast AlSi7Mg alloy: A rheological perspective[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2013, 22(9): 2487?2492.

[16] ZHANG Z F, CHEN X R. Numerical simulation on electromagnetic field, flow field and temperature field in semisolid slurry preparation by A-EMS[J]. Rare Metals, 2010, 29(6): 635?642.

[17] 陳興潤, 張志峰, 徐 駿, 石力開. 電磁攪拌法制備半固態(tài)漿料過程電磁場(chǎng)、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2010, 20(5): 937?945.
CHEN Xing-run, ZHANG Zhi-feng, XU Jun, SHI Li-kai. Numerical simulation of electromagnetic field, flow field and temperature field in semi-solid slurry preparation by electromagnetic stirring[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 20(5): 937?945.

[18] 左玉波, 朱慶豐, 王向杰, 崔建忠. 低頻電磁鑄造過程中溫度場(chǎng)的形成機(jī)理[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 33(8): 1145?1149.
ZUO Yu-bo, ZHU Qing-feng, WANG Xiang-jie, CUI Jian-zhong. Mechanism of forming temperature field during low frequency electromagnetic casting[J]. Journal of Northeastern University, 2012, 33(8): 1145?1149.

[19] WANG M J, YANG G, HUANG C Q, CHEN B. Simulation of temperature and stress in 6061 aluminum alloy during online quenching process[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, 24(7): 2168?2173.

[20] 劉 政, 劉小梅, 朱 濤, 諶慶春. 低頻電磁攪拌對(duì)半固態(tài)鋁合金中稀土分布的影響[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2015, 51(3): 272?280.
LIU Zheng, LIU Xiao-mei, ZHU Tao, CHEN Qing-chun. Effects of electromagnetic stirring with low current frequency on RE distribution in semisolid aluminum alloy[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2015, 51(3): 272?280.

[21] 趙秀艷. 金屬射流的MHD特性分析[D]. 濟(jì)南: 山東農(nóng)業(yè)大學(xué), 2009.
ZHAO Xiu-yan. The MHD characteristic analysis of metal jet[D]. Jinan: Shandong University of Agricultural, 2009.

[22] LIU Z, MAO W M, LIU X M. Effect of pouring temperature on fractal dimension of primary phase morphology in semi-solid A356 alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2009, 19(5): 1098?1103.

[23] MANDELBROT B B. The fractal geometry nature[M]. New York: W H. Free-Man, 1982.

[24] 李如生. 非平衡態(tài)熱力學(xué)和耗散結(jié)構(gòu)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版杜, 1986: 44.
LI Ru-sheng. Non-equilibrium thermodynamics and dissipative structure[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 1986: 44.

[25] WANG Shun-cheng, CAO Fu-rong, WEN Jing-lin. Effect of original microstructures on microstructural evolution of A2017 semi-solid alloy billets during reheating[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2005, 15(3): 577?582.

[26] JIANG Ju-fu, LUO Shou-jing. Reheating microstructure of refined AZ91D magnesium alloy in semi-solid state[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2004, 14(6): 1074?1081.

[27] MAO W M, CUI C L, ZHAO A M. Effect of pouring process on the microstructures of semi-solid AlSi7Mg alloy[J]. J Mater Sci & Tech, 2001, 17 (6): 515?619.

(編輯 李艷紅)

Morphology of primary phase in semisolid aluminum-RE alloy under different temperature fields

ZHANG Jia-yi1, LIU Zheng2, SHENG Jun-bo2

(1. School of Material Science and Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China;2. School of Mechanical and Electronic Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China)

The temperature field distribution of semisolid A356 alloy melt by the computational fluid dynamics software Fluent, and the effect of electromagnetic on the morphology of primaryphase of semisolid A356 alloy melt were mainly investigated. The results show that the temperature field distribution of alloy melt at 40 Hz is more uniform than those at 5 Hz, 15 Hz and 30 Hz at the same time. The average equal-area circle diameter and average shape factor of primary phase are 62.3 μm and 0.78, respectively, after semisolid A356 alloy is pouring at 620 ℃, stirring for 15 s at 30 Hz, and holding at 590 ℃ for 10 min. Meanwhile, the smallest size and the best primary phase can be observed.

semisolid; A356 aluminum-RE alloy; electromagnetic stirring; primaryphase; temperature field distribution

Projects(51144009, 51361012) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(20142bab206012) supported by the National Natural Science Foundation of Jiangxi Province, China; Project(GJJ14407) supported by the Science and Technology Key Program of the Education Department of Jiangxi Province, China

2015-07-13; Accepted date: 2015-12-10

LIU Zheng; Tel: +86-797-8312428; E-mail: liukk66@163.com

1004-0609(2016)02-0272-08

TG249.7

A

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51144009，51361012)；江西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20142bab206012)；江西省教育廳科技項(xiàng)目(GJJ14407)

2015-07-13；

2015-12-10

劉 政，教授，博士；電話：0797-8312428；E-mail: liukk66@163.com