刘志勇等：蛇形通道制备半固态A380铝合金浆料组织的演变 ·267· 3分析与讨论 3.2蛇形通道内球状初生Al晶粒的游离模型 采用蛇形通道制备浆料过程中合金熔体的温度、 3.1蛇形通道内初生a一A!晶粒的形成及演变 黏度、流速和密度等参数变化复杂，很难对上述参数量 合金熔体浇入蛇形通道初期，在蛇形通道内壁激 化，因此本文通过建立游离模型定性地分析初生α一A山 冷作用下温度迅速降低变为过冷熔体，合金熔体中准 晶粒在通道内壁上的剥落和游离以及在蛇形通道内的 固相原子团簇形成初生α一l晶核.蛇形通道内壁产 旋转和重熔情况. 生的大冷却强度可降低临界形核功、临界形核半径并 相关文献表明：814℃时，A14.5Cu与石墨的润湿 提高形核率，并且后续合金熔体冲刷产生的紊流和合 角0=162°，且A1-4.5Cu与石墨的润湿角随温度降低 金熔体“自搅拌”产生的紊流增强结构起伏和能量起 而增大.因此可以断定在蛇形通道内合金熔体温 伏，促进合金熔体的形核因此，合金熔体中产生大量 度范围为575~670℃时与石墨的润湿角大于162°. 的初生《一1晶核，这些晶核先以球晶方式生长，固一 假定初生一A!晶粒为球形且附着在蛇形通道内壁上 液界面失稳后，球晶成长为等轴晶或枝晶，而附着在通 为驻点，如图7中A处所示，其单位面积的附着力 道内壁上的初生一A山晶核很容易呈枝晶生长并具有 0为四 一定的方向性，其生长方向与散热方向相反 0.=(1+cos6)y. (3) 合金熔体在蛇形通道流动过程产生自然对流、 初生α一A1晶粒的静压力F,和黏滞力F,分别为 “自搅拌”引起强制对流，在溶质富集和应力集中作用 F,=(P。+2pgh-o)2rr (4) 下促使颗粒状晶粒从通道内壁上剥落、枝晶和枝晶臂 Fx=6TTooro. (5) 发生熔断.剥落的晶粒、熔断的枝晶和枝晶臂在“自搅 因此，初生α一A1晶粒根部的弯曲应力σ为静压力F, 拌”和对流的作用下在蛇形通道内随合金熔体流动， 和黏滞力F、合力产生的弯矩与惯性转矩的比值，即 合金熔体在蛇形通道内的流动伴随着离心运动，使其 8(P。+2pgh-w）+24noo (6) 进入合金熔体内部发生游离或重熔.这些游离的初生 (m8 一A1晶粒的游离可为新晶粒的形成提供基底.同时， 式中，y为熔体比表面能，0为润湿角，P。为大气压强，p 重熔可降低合金熔体温度，有利于新晶粒的形成，从而 为合金熔体密度，g为重力加速度，h为浇口到A处的 造成晶粒增殖.在蛇形通道中游离晶粒的重熔和形成 高度，w为压力损失，「a为初生α一Al晶粒在A处时的 不断地重复进行，最终残留在通道内壁上的颗粒状晶 粒和枝晶将形成凝固壳.随合金熔体在蛇形通道内流 半径，为合金熔体在A处时的黏度系数，为合金熔 体到达A处时速度 动其温度持续降低且不同位置降幅不同，黏度随温度 当σ.>σ时初生a-A1晶粒从蛇形通道内壁A处 降低而增大，初生α一A!晶粒与合金熔体的黏滞摩擦 剥落，考虑其根部缩颈，在制备半固态浆料过程中初生 力增大且各位置大小不同，初生一A1晶粒在合金熔 α一Al晶粒实际受到的弯应力远大于其理论值.剥落 体中必然受剪切力作用，并且不同位置的剪切力不同， 后的初生一A]晶粒在合金熔体中游离，在重力方向 促使游离的初生α一！晶粒在合金熔体中发生“自旋 上受自身重力G、浮力F和黏滞阻力F、的作用，受力 转”.初生Q一Al晶粒在离心运动和“自旋转”作用下 分析如图7中B处所示，假定此时合金熔体的黏度系 使其发生重熔和球化 数为n,初生a一Al晶粒的半径为r,游离速度v在重力 固一液界面前沿的温度梯度、浓度梯度和合金熔 方向上分量为，”与合金熔体流动速度在重力方 体的散热方向决定初生α一1晶粒的形貌和尺寸，合 向上分量的夹角为B,则黏滞阻力F、为 金熔体进入蛇形通道末端时，固-液界面前沿的结晶 Fs=6mm(v-v cosB)r. (7) 潜热和溶质富集被对流迅速带走，初生α一A!晶粒周 合金熔体在蛇形通道内流动时必然发生圆周运 围的边界层厚度减小，在边界层中，存在局部负浓度梯 动，此时初生a一A1晶粒在合金熔体中游离.初生 度和负温度梯度，限制了枝晶的生长.同时，“自搅拌” a一AI晶粒所受的自身重力G、浮力F,和黏滞阻力F、 起的强制对流加速传热和传质，使通道内的温度场 在蛇形通道弯道法线方向的分力的合力提供向心力 和浓度场相对均匀.初生一A1晶粒在通道内的合金 F(x=0,1,2),如图8所示.当合力为F时，初生 熔体中“自旋转”在相对均匀且相互叠加的温度场和 一A1晶粒在蛇形通道内的游离运动将伴有离心运动， 浓度场中不断地改变固一液界面前沿，所以初生α一A! 此时初生α一Al晶粒游离速度v为i,初生a一A晶粒 晶粒的各个方向相对均匀的长大，形成规则圆滑的 将经过蛇形通道中心区域向蛇形通道弯道的下段外侧 (近)球形晶粒. 运动，初生α一A山晶粒则可能附着在通道内壁上，能否刘志勇等: 蛇形通道制备半固态 A380 铝合金浆料组织的演变 3 分析与讨论 3. 1 蛇形通道内初生 α--Al 晶粒的形成及演变 合金熔体浇入蛇形通道初期，在蛇形通道内壁激 冷作用下温度迅速降低变为过冷熔体，合金熔体中准 固相原子团簇形成初生 α--Al 晶核． 蛇形通道内壁产 生的大冷却强度可降低临界形核功、临界形核半径并 提高形核率，并且后续合金熔体冲刷产生的紊流和合 金熔体“自搅拌”产生的紊流增强结构起伏和能量起 伏，促进合金熔体的形核． 因此，合金熔体中产生大量 的初生 α--Al 晶核，这些晶核先以球晶方式生长，固-- 液界面失稳后，球晶成长为等轴晶或枝晶，而附着在通 道内壁上的初生 α--Al 晶核很容易呈枝晶生长并具有 一定的方向性，其生长方向与散热方向相反． 合金熔体在蛇形通 道 流 动 过 程 产 生 自 然 对 流、 “自搅拌”引起强制对流，在溶质富集和应力集中作用 下促使颗粒状晶粒从通道内壁上剥落、枝晶和枝晶臂 发生熔断． 剥落的晶粒、熔断的枝晶和枝晶臂在“自搅 拌”和对流的作用下在蛇形通道内随合金熔体流动， 合金熔体在蛇形通道内的流动伴随着离心运动，使其 进入合金熔体内部发生游离或重熔． 这些游离的初生 α--Al 晶粒的游离可为新晶粒的形成提供基底． 同时， 重熔可降低合金熔体温度，有利于新晶粒的形成，从而 造成晶粒增殖． 在蛇形通道中游离晶粒的重熔和形成 不断地重复进行，最终残留在通道内壁上的颗粒状晶 粒和枝晶将形成凝固壳． 随合金熔体在蛇形通道内流 动其温度持续降低且不同位置降幅不同，黏度随温度 降低而增大，初生 α--Al 晶粒与合金熔体的黏滞摩擦 力增大且各位置大小不同，初生 α--Al 晶粒在合金熔 体中必然受剪切力作用，并且不同位置的剪切力不同， 促使游离的初生 α--Al 晶粒在合金熔体中发生“自旋 转”． 初生 α--Al 晶粒在离心运动和“自旋转”作用下 使其发生重熔和球化． 固--液界面前沿的温度梯度、浓度梯度和合金熔 体的散热方向决定初生 α--Al 晶粒的形貌和尺寸，合 金熔体进入蛇形通道末端时，固–液界面前沿的结晶 潜热和溶质富集被对流迅速带走，初生 α--Al 晶粒周 围的边界层厚度减小，在边界层中，存在局部负浓度梯 度和负温度梯度，限制了枝晶的生长． 同时，“自搅拌” 引起的强制对流加速传热和传质，使通道内的温度场 和浓度场相对均匀． 初生 α--Al 晶粒在通道内的合金 熔体中“自旋转”在相对均匀且相互叠加的温度场和 浓度场中不断地改变固--液界面前沿，所以初生 α--Al 晶粒的各个方向相对均匀的长大，形成规则圆滑的 ( 近) 球形晶粒． 3. 2 蛇形通道内球状初生 α--Al 晶粒的游离模型 采用蛇形通道制备浆料过程中合金熔体的温度、 黏度、流速和密度等参数变化复杂，很难对上述参数量 化，因此本文通过建立游离模型定性地分析初生 α--Al 晶粒在通道内壁上的剥落和游离以及在蛇形通道内的 旋转和重熔情况． 相关文献表明: 814 ℃时，Al--4. 5Cu 与石墨的润湿 角 θ = 162°，且 Al--4. 5Cu 与石墨的润湿角随温度降低 而增大［24］． 因此可以断定在蛇形通道内合金熔体温 度范围为 575 ～ 670 ℃ 时与石墨的润湿角大于 162°． 假定初生 α--Al 晶粒为球形且附着在蛇形通道内壁上 为驻点，如 图 7 中 A 处 所 示，其 单 位 面 积 的 附 着 力 σc为［25］ σc = ( 1 + cos θ)·γ． ( 3) 初生 α--Al 晶粒的静压力 FJ和黏滞力 FN分别为 FJ = ( P0 + 2ρgh － ω)·2πr 2 0 ． ( 4) FN = 6πη0 v0 r0 ． ( 5) 因此，初生 α--Al 晶粒根部的弯曲应力 σw为静压力 FJ 和黏滞力 FN合力产生的弯矩与惯性转矩的比值，即 σw = 8( P0 + 2ρgh － ω) + 24η0 v0 ( cos θ 2 ) 4 r 2 0 ． ( 6) 式中，γ 为熔体比表面能，θ 为润湿角，P0为大气压强，ρ 为合金熔体密度，g 为重力加速度，h 为浇口到 A 处的 高度，ω 为压力损失，r0为初生 α--Al 晶粒在 A 处时的 半径，η0为合金熔体在 A 处时的黏度系数，v0为合金熔 体到达 A 处时速度． 当 σw ＞ σc时初生 α--Al 晶粒从蛇形通道内壁 A 处 剥落，考虑其根部缩颈，在制备半固态浆料过程中初生 α--Al 晶粒实际受到的弯应力远大于其理论值． 剥落 后的初生 α--Al 晶粒在合金熔体中游离，在重力方向 上受自身重力 G、浮力 Ff和黏滞阻力 F* N 的作用，受力 分析如图 7 中 B 处所示，假定此时合金熔体的黏度系 数为 η，初生 α--Al 晶粒的半径为 r，游离速度 v 在重力 方向上分量为 vg，vg与合金熔体流动速度 v0在重力方 向上分量 vf的夹角为 β，则黏滞阻力 F* N 为 F* N = 6πη( vf － vg cos β) r． ( 7) 合金熔体在蛇形通道内流动时必然发生圆周运 动，此 时 初 生 α--Al 晶 粒 在 合 金 熔 体 中 游 离． 初 生 α--Al晶粒所受的自身重力 G、浮力 Ff和黏滞阻力 F* N 在蛇形通道弯道法线方向的分力的合力提供向心力 Fx ( x = 0，1，2) ，如图 8 所示． 当合力为 F1 时，初生 α--Al晶粒在蛇形通道内的游离运动将伴有离心运动， 此时初生 α--Al 晶粒游离速度 v 为 v * 1 ，初生 α--Al 晶粒 将经过蛇形通道中心区域向蛇形通道弯道的下段外侧 运动，初生 α--Al 晶粒则可能附着在通道内壁上，能否 · 762 ·