夏建強，白霄宇，毛紅奎，曹美文，閆志義，劉洪斌

（1.安徽恒利增材制造科技有限公司，安徽 蕪湖 241000；2.中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030051；3.山西柴油機工業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037000）

材料的電磁加工（EPM）在過去的二十年中得到了廣泛的研究，材料電磁加工可以通過細(xì)化晶粒尺寸、消除缺陷和改善合金成分的均勻性來改善金屬材料的性能，是生產(chǎn)高性能材料的一種有效的方法，也是未來開發(fā)新型材料加工技術(shù)的潛在方向[1-4]。

研究表明，直流電（DC）、交流電（AC）和電流脈沖（ECP）對凝固過程都有明顯的影響[5-7]。在定向凝固過程中通入直流電，可以細(xì)化鋁合金的晶粒[8，9]，電流脈沖可以減少鋁銅合金中的一次枝晶間距，抑制平界面向胞狀曲面或者胞狀向樹枝晶的轉(zhuǎn)變[10]。珀爾帖效應(yīng)是在電流通過兩種不同導(dǎo)體時，由于電流方向的不同，使不同導(dǎo)體的接頭處會分別出現(xiàn)吸熱和放熱現(xiàn)象，用來平衡兩種材料之間的化學(xué)勢差[11]。焦耳效應(yīng)是當(dāng)電流通過熔體時，由于電流場對熔體起作用，產(chǎn)生熔融阻力，使這部分功完全轉(zhuǎn)化為熱[12]。在金屬和合金定向凝固過程中通入直流電和脈沖電流可以同時誘導(dǎo)珀爾帖效應(yīng)和焦耳效應(yīng)，進(jìn)而實現(xiàn)凝固階段的晶粒細(xì)化[2，13-19]。Fu 等人[18-19]發(fā)現(xiàn)，在合金凝固過程中施加低壓脈沖磁場（LVPMF）也可以實現(xiàn)晶粒細(xì)化，并從形核和晶體生長的角度討論了晶粒細(xì)化機制：在形核方面，振蕩電磁力可以加速形核在結(jié)晶器壁上的分散，從而提高形核率；在晶粒生長過程中，當(dāng)施加低壓脈沖磁場時，焦耳熱將在晶粒尺寸處累積，從而增大了晶粒尖端的半徑，限制了晶粒的生長。

雖然目前國內(nèi)外已有很多關(guān)于材料電磁工藝的研究，但電磁場下合金的凝固機理并未完全弄清楚，仍然有待遇進(jìn)一步探索研究。本文采用在整個凝固階段施加直流電的實驗方法，探索電流在合金凝固過程中的作用機理，通過測試凝固過程中的冷卻曲線，分析電流對過冷度的影響，從形核和長大的角度，結(jié)合珀爾帖效應(yīng)和焦耳效應(yīng)來探討直流電對Al-5Cu 合金凝固行為的作用機理。

1 試驗方法

本文采用99.9%的工業(yè)純鋁和Al-50Cu 中間合金配置Al-5Cu 合金作為試驗材料。在試驗中，首先在710 ℃的溫度下熔化純鋁，然后加入Al-Cu 中間合金，將溫度提升到730 ℃時，采用六氯乙烷進(jìn)行除氣精煉，待溫度降至700 ℃～710 ℃后，將鋁液倒入內(nèi)腔尺寸長寬厚分別為80 mm×80 mm×10 mm的石膏模中，澆注后留樣。采用電感耦合等離子體（ICP）測定樣品的化學(xué)成分，實驗材料實際化學(xué)成分如表1 所示。

表1 Al-5Cu 合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

在Al-5Cu 合金的凝固過程中施加直流電由DY-3V200A 型電源供電。同時在凝固過程中，使用兩個熱電偶進(jìn)行溫度測量，溫度測試位置如圖1 所示。澆注后的樣品經(jīng)水磨和拋光后，使用5 mL 氫氟酸+5 mL 水+30 mL 硝酸+60 mL 鹽酸的腐蝕劑進(jìn)行化學(xué)蝕刻。通過光學(xué)顯微鏡（OM Zeiss）和掃描電子顯微鏡（SEM SU5000）進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察。掃描圖像用imageproplus6.0 圖像分析軟件進(jìn)行分析，并采用截線法測量晶粒大小。

圖1 熱電偶和溫度測量位置

2 結(jié)果與討論

2.1 電場作用下Al-5Cu 合金的微觀組織

圖2 顯示了鑄件中心區(qū)域電流密度對Al-5Cu合金微觀結(jié)構(gòu)的影響，可以看出在沒有通入直流電的情況下，初生α-Al 呈粗大的樹枝晶形貌，一次臂較長，二次枝晶較發(fā)達(dá)，共晶相數(shù)量較多，分布于粗大的枝晶間；通入電流后枝晶長度和寬度都變小，隨著電流密度的增大，樹枝晶向著等軸晶轉(zhuǎn)變，當(dāng)電流密度達(dá)到25 mA/mm2時效果最明顯，枝晶的尖端同樣向著扁平和圓形變化。電流密度繼續(xù)增大這樣的效果減弱。

圖2 Al-5Cu 合金微觀金相組織

圖3 統(tǒng)計并比較了晶粒大小。通入直流電后，晶粒尺寸開始變小，當(dāng)電流密度為25 mA/mm2時，晶粒尺寸從約2.3 mm 顯著細(xì)化至約1.55 mm；當(dāng)電流密度大于25 mA/mm2時，晶粒開始變得粗大；電流密度為30 mA/mm2時，晶粒尺寸約為1.68 mm.可以看出，電流對晶粒細(xì)化的影響隨電流密度的增加先變大后變小。當(dāng)電流密度為0～25 mA/mm2時，珀爾帖效應(yīng)占主導(dǎo)地位，晶粒尺寸減小。隨著電流密度的繼續(xù)增加，當(dāng)電流密度大于25 mA/mm2時，焦耳效應(yīng)占主導(dǎo)地位，晶粒變的粗大。

圖3 Al-5Cu 合金平均晶粒尺寸

圖4 為掃描電鏡下觀察其共晶組織，可以看出電流密度為25 mA/mm2時合金共晶組織明顯得到細(xì)化。自由生長的共晶組織如同固溶體型合金的等軸晶凝固，組成共晶的兩相從一個結(jié)晶核心耦合地向四周生長成共晶團簇；在常規(guī)凝固條件下，Al-5Cu 層片間距主要取決于共晶生長界面前沿的熱流和溶質(zhì)沿界面的橫向擴散，在生長界面處產(chǎn)生的各種效應(yīng)不可避免地影響層片間距的大小，隨著電流密度的增加，層片間距經(jīng)歷了一次細(xì)化的過程，電流密度為25 mA/mm2時共晶片間距最小。

圖4 掃描電鏡下Al-5Cu 合金共晶組織

凝固過程中電場引起的電子曳力必定導(dǎo)致固液界面前沿的溶質(zhì)發(fā)生電遷移現(xiàn)象，電遷移現(xiàn)象促進(jìn)了溶質(zhì)沿生長方向的一維擴散，有利于片層沿垂直固液界面長度方向的快速長大[20]。還有一種解釋是由于界面前沿濃度不均勻，電流密度在熔體中有差異，某層片電流密度大，溫度升高導(dǎo)致過冷度小于臨界過冷度，停止生長，而其余部位繼續(xù)生長，形成凹槽，而凹槽處又富集了另一種相的原子，形成新的片層，導(dǎo)致片間距減小。

圖5 為Al-5Cu 合金正負(fù)極柱狀晶區(qū)宏觀組織圖，圖6 為通入電流后柱狀晶長度變化圖?？梢缘贸?，在凝固過程中，隨著直流電電流密度從0 增加到25 mA/mm2，柱狀晶粒的長度從約4.91 mm 逐漸增加到9.12 mm.電流密度從25 mA/mm2進(jìn)一步增加到30 mA/mm2時，長度從9.12 mm 減少到5.72 mm，這與凝固過程中電流密度對晶粒尺寸的影響相似。在負(fù)極區(qū)域，施加直流電后柱狀晶粒的生長行為完全不同。電流密度從0 增加到25 mA/mm2時，長度從約4.65 mm 減少到0.87 mm.電流密度從25 mA/mm2進(jìn)一步增加到30 mA/mm2時，長度從0.87 mm 增加到1.11 mm.在施加直流電之前，柱狀晶粒的長度接近?？梢缘贸鼋Y(jié)論，隨著電流密度的增加，靠近正極的柱狀晶粒長度先增大后減小，靠近負(fù)極的柱狀晶粒長度先減小后增大。電流場的加入可以改變樣品與電極接觸面的冷卻梯度。隨著電流密度的增加，珀爾帖效應(yīng)增強。當(dāng)電流密度達(dá)到25 mA/mm2時，珀爾帖效應(yīng)表現(xiàn)得最為明顯。隨著電流密度繼續(xù)增加，焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的焦耳熱增加，并逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，導(dǎo)致兩端溫度梯度趨于一致。

圖5 Al-5Cu 合金正負(fù)極柱狀晶區(qū)宏觀組織圖

圖6 Al-5Cu 合金平均柱狀晶長度

綜上所述，直流電可以對凝固過程中柱狀晶粒的生長行為產(chǎn)生顯著影響。在凝固過程中，固—液界面會發(fā)生吸熱和放熱。在靠近正極區(qū)的固—液界面處，吸熱可以降低凝固過程中界面處的溫度。遠(yuǎn)離界面的溫度大致保持不變。所以液體中靠近界面的溫度梯度增加。由于高溫有利于柱狀晶粒的生長，所以當(dāng)施加直流電電流密度0～25 mA/mm2時，正極區(qū)域柱狀晶粒長度增加。當(dāng)電流密度增加到30 mA/mm2時，換做焦耳熱主導(dǎo)生長行為。產(chǎn)生的焦耳熱會使固-液界面處的溫度升高，從而降低界面處的溫度梯度。柱狀晶粒的生長將受到抑制，柱狀晶粒的長度將縮短。此外，形成的焦耳熱可以減少固-液界面處的過冷度，這是晶體生長的驅(qū)動力，限制了凝固過程中柱狀晶粒的生長。負(fù)極區(qū)域柱狀晶長度變化與正極區(qū)域相反。這就是珀爾貼效應(yīng)和焦耳熱在合金凝固過程中共同作用的結(jié)果。

2.2 電場作用下Al-5Cu 合金的冷卻曲線

圖7 為Al-5Cu 合金不同電流密度作用下的冷卻曲線，可以看出，加入電流后合金的凝固速度變快，隨著電流密度的增加，成核過冷度增大。當(dāng)電流密度為20 mA/mm2時，達(dá)到最大形核過冷度，約為5.35 ℃，形核過冷度的增加有利于增加形核率，細(xì)化晶粒。但當(dāng)電流密度進(jìn)一步增大，形核過冷度降低，電流密度為30 mA/mm2時，形核過冷度僅為3.8 ℃.圖8 為中過冷度隨電流密度變化圖，隨著電流密度的增加，過冷度明顯增大，電流密度為20 mA/mm2時過冷度達(dá)到最大，隨著電流密度繼續(xù)增加，由于焦耳作用的影響，熔體整體升溫，導(dǎo)致過冷度下降。

圖7 Al-5Cu 合金電場作用下的冷卻曲線

圖8 過冷度隨電流密度變化

圖9 為有無電流作用時晶胞的形狀示意圖，可以看出，隨著電流密度的增加，晶核表面積越來越大，導(dǎo)致表面能增加，在本該開始形核的過冷度下，不能形成能穩(wěn)定長大的晶核，形核階段不能開始，導(dǎo)致過冷度繼續(xù)增大，當(dāng)過冷度增大到能形成穩(wěn)定長大的晶核時才能進(jìn)行正常的形核長大，這樣導(dǎo)致了形核時間的延后，即珀爾貼效應(yīng)抑制了形核的開始，增大了過冷度。熔體中通入電流后，熔體內(nèi)的整體能量升高，一定程度上加劇了液態(tài)金屬中的成分起伏、能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏[21]，這樣的電流場一是降低了團簇周圍束縛溶質(zhì)原子的電子云密度，相當(dāng)于促進(jìn)了原子的擴散；二是提高了熔體中原子的能量，能量變高原子的活性增大，同樣促進(jìn)了原子的擴散，使得熔體中較大的團簇分解為眾多更小的團簇，潛在結(jié)晶核心尺寸的減小，導(dǎo)致在本該開始形核的過冷度下熔體不能開始形核，抑制了形核的開始，過冷度降低至形核開始的過冷度時，此時大量分解開的小型團簇開始形核，導(dǎo)致形核率增加，晶粒得到細(xì)化，當(dāng)總電流增大時，珀爾貼效應(yīng)和焦耳效應(yīng)形成競爭關(guān)系造成了電場作用下過冷度的變化。

圖9 電流對晶粒形核形貌影響的示意圖

總體來說，這兩個效應(yīng)，一個是減小潛在成核的尺寸，另一個是增加成核電阻。這兩種效應(yīng)的共同作用延遲了形核的開始并增加了過冷度。然而，當(dāng)電流密度增加到某一臨界值時，焦耳熱會使晶核再次圓化，減小晶核的表面積，這有利于晶核的生長，導(dǎo)致晶粒尺寸隨著電流密度的增加先減小后增大。

3 結(jié)論

1）向Al-5Cu 合金通入直流電可以細(xì)化晶粒。凝固過程中，電流密度從0 增大到25 mA/mm2時，α-Al 晶粒尺寸先減小后增大，正極附近柱狀晶長度先增大后減小；電流密度大于25 mA/mm2時，α-Al晶粒尺寸逐漸增大，靠近正極的柱狀晶粒長度逐漸減小。負(fù)極附近柱狀晶長度的變化與正區(qū)柱狀晶長度的變化相反。

2）直流電流對Al-5Cu 合金微觀組織產(chǎn)生了影響，共晶組織的層間距明顯變小，枝晶長度和寬度均在電流的作用下減小，甚至轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，最佳效果為電流密度25 mA/mm2時。直流電流也會使得過冷度增加，在電流密度為20 mA/mm2時效果最明顯。