第10期 谭建波等：扰流柱参数对半固态AIS9Mg组织的影响 ·1245· 应，随湍流强度增加，对流的渗透度增加，液体进入 枝晶.椭圆形扰流柱由于尾部分离区较窄，其阻力比 枝晶间的能力增强，这样便可防止枝晶臂的形成.其 相应的圆形柱要小，但椭圆形扰流柱由于形核数目 次，水滴形扰流柱换热系数较大，冷却效率高，金属 较多，又存在较大阻力，综合两方面考虑，金属液流 液在流动过程中，温度降低较快，初生固相较多；水 经椭圆形扰流柱流速最缓，故形核后晶粒长大时间 滴形扰流柱流线型最好，与金属液接触面积最大，液 较长，晶粒尺寸最大 相除依附倾斜槽底端与侧面形核外，也可依附扰流 2.2排列方式对A1Si9Mg组织的影响 柱表面形核，故形核最多，因此倾斜板上安放水滴形 以水滴形扰流柱为研究对象，排列方式分别为 扰流柱后得到的初生固相率最高.椭圆形扰流柱流 顺排和叉排，实验结果见表2，其金相组织如图5 线优于圆形扰流柱，与金属液接触面积大于圆柱形， 所示 故形核数目较圆形扰流柱也有一定程度的增加.最 表2排列方式对A1S9Mg微观组织特征的影响 后，水滴形扰流柱接近流线型，金属液流动阻力低于 Table 2 Effect of arrayed modes on the microstructure characteristics of 圆形柱及椭圆形柱，金属液从安放了水滴形扰流柱 AlSi9Mg 的倾斜板上向下流动时，由于阻力小流速快，形核数 初生固相率， 品粒尺寸， 形状因子， 排列方式 量多，晶粒生长时间短，故水滴形扰流柱得到的晶粒 f1% L/μm 尺寸最小，形状也最为圆整.圆形扰流柱和金属液 顺排 34.46 9.81 0.48 接触面积最小，形核数量少，对金属液的剪切作用 叉排 53.54 5.59 0.61 小，故形成的晶粒形状圆整度较差，有一定数量的树 a 50n 504m 图5排列方式对AS9Mg组织的影响.(a)顺排：(b)叉排 Fig.5 Effect of arrayed modes on the microstructure of AlSi9Mg:(a)order array:(b)cross array 由图5可以看出：当扰流柱为顺排时，初生α一 的形成.在湍流情况下，一些溶质的质量分数为cx Al相有一部分为枝晶状，如图5(a)所示；扰流柱叉 的金属液渗入枝晶间，导致Ixp-xoI减少，质量分 排时，枝晶基本消失，晶粒较细小均匀，初生Q一A! 数梯度增加，最初形成的枝晶与液相之间的渗透作 相呈球形或蔷薇状，其组织明显优于顺排，如图5 用增加，尖端增长率降低，枝晶便不会形成.当扰流 (b)所示.笔者认为，叉排扰流柱对金属液的搅拌作 柱排列方式为叉排时，金属液之间的冲刷、碰撞程度 用高于顺排扰流柱，使金属液自身的对流增强，产生 增加，剪切力增加.与顺排相比，叉排扰流柱较易打 的湍流增大.湍流可以增加溶质之间的互相渗透， 碎已形成的枝晶，故叉排时枝晶基本消失，组织均 溶质间的质量分数梯度用下面的公式计算(P、Q为 匀，而顺排时有一定数量的枝晶形成，如图5(b) 流动金属液中的两点)☒： 所示 Vco=(col-col)/(x1-x2) (1) 2.3排列间距对ASi9Mg组织的影响 式中：co为Q点溶质的质量分数；Vc。为Q点溶质 以水滴形扰流柱为研究对象，排列方式为叉排， 的变化量；x是长度矢量；x1-x2为Q、P两点之间 排列方式如图3所示，排间距与列间距的比值约为 的距离，nm.在只有层流的情况下vp=-D(cp- 0.375,实验结果见表3，金相组织如图6所示 cx）/6,to=-D(cp-cx）/(8+xp-xo）,此时xp> 由图6可以看出：当排列间距较小时，形成的初 xo,p>to,pvo分别为P、Q两点溶质沿x方向的 生a一A!相不均匀，且有一定数量的小枝晶，而S为 增长速率；cp为P点溶质的质量分数；D为扩散系 15mm,L为40mm时，枝晶基本消除，组织均匀，圆 数，m2·s1;c为金属液中溶质的质量分数；δ为边 整度、固相率也有相应提高，轮廓清晰，组织为球形 界层厚度，nm.尖端P点增长最快，这将导致枝晶 或近球形：随着排列间距的进一步增大，又出现枝晶第 10 期 谭建波等: 扰流柱参数对半固态 AlSi9Mg 组织的影响 应，随湍流强度增加，对流的渗透度增加，液体进入 枝晶间的能力增强，这样便可防止枝晶臂的形成． 其 次，水滴形扰流柱换热系数较大，冷却效率高，金属 液在流动过程中，温度降低较快，初生固相较多; 水 滴形扰流柱流线型最好，与金属液接触面积最大，液 相除依附倾斜槽底端与侧面形核外，也可依附扰流 柱表面形核，故形核最多，因此倾斜板上安放水滴形 扰流柱后得到的初生固相率最高． 椭圆形扰流柱流 线优于圆形扰流柱，与金属液接触面积大于圆柱形， 故形核数目较圆形扰流柱也有一定程度的增加． 最 后，水滴形扰流柱接近流线型，金属液流动阻力低于 圆形柱及椭圆形柱，金属液从安放了水滴形扰流柱 的倾斜板上向下流动时，由于阻力小流速快，形核数 量多，晶粒生长时间短，故水滴形扰流柱得到的晶粒 尺寸最小，形状也最为圆整． 圆形扰流柱和金属液 接触面积最小，形核数量少，对金属液的剪切作用 小，故形成的晶粒形状圆整度较差，有一定数量的树 枝晶． 椭圆形扰流柱由于尾部分离区较窄，其阻力比 相应的圆形柱要小，但椭圆形扰流柱由于形核数目 较多，又存在较大阻力，综合两方面考虑，金属液流 经椭圆形扰流柱流速最缓，故形核后晶粒长大时间 较长，晶粒尺寸最大． 2. 2 排列方式对 AlSi9Mg 组织的影响 以水滴形扰流柱为研究对象，排列方式分别为 顺排和叉排，实验结果见表 2，其金相组织如图 5 所示． 表 2 排列方式对 AlSi9Mg 微观组织特征的影响 Table 2 Effect of arrayed modes on the microstructure characteristics of AlSi9Mg 排列方式 初生固相率， fs /% 晶粒尺寸， ls /μm 形状因子， Fc 顺排 34. 46 9. 81 0. 48 叉排 53. 54 5. 59 0. 61 图 5 排列方式对 AlSi9Mg 组织的影响． ( a) 顺排; ( b) 叉排 Fig． 5 Effect of arrayed modes on the microstructure of AlSi9Mg: ( a) order array; ( b) cross array 由图 5 可以看出: 当扰流柱为顺排时，初生 α-- Al 相有一部分为枝晶状，如图 5( a) 所示; 扰流柱叉 排时，枝晶基本消失，晶粒较细小均匀，初生 α--Al 相呈球形或蔷薇状，其组织明显优于顺排，如图 5 ( b) 所示． 笔者认为，叉排扰流柱对金属液的搅拌作 用高于顺排扰流柱，使金属液自身的对流增强，产生 的湍流增大． 湍流可以增加溶质之间的互相渗透， 溶质间的质量分数梯度用下面的公式计算( P、Q 为 流动金属液中的两点) ［12］: Δ cQ ·x^ = ( cQ | x1 － cQ | x2 ) /( x1 － x2 ) ( 1) 式中: cQ 为 Q 点溶质的质量分数; Δ cQ 为 Q 点溶质 的变化量; x^ 是长度矢量; x1 － x2 为 Q、P 两点之间 的距离，nm． 在只有层流的情况下 vP = － D( cP － c∞ ) / δ，vQ = － D( cP － c∞ ) /( δ + xP － xQ ) ，此时 xP ＞ xQ，vP ＞ vQ，vP、vQ分别为 P、Q 两点溶质沿 x 方向的 增长速率; cP 为 P 点溶质的质量分数; D 为扩散系 数，m2 ·s － 1 ; c∞ 为金属液中溶质的质量分数; δ 为边 界层厚度，nm． 尖端 P 点增长最快，这将导致枝晶 的形成． 在湍流情况下，一些溶质的质量分数为 c∞ 的金属液渗入枝晶间，导致 | xP － xQ | 减少，质量分 数梯度增加，最初形成的枝晶与液相之间的渗透作 用增加，尖端增长率降低，枝晶便不会形成． 当扰流 柱排列方式为叉排时，金属液之间的冲刷、碰撞程度 增加，剪切力增加． 与顺排相比，叉排扰流柱较易打 碎已形成的枝晶，故叉排时枝晶基本消失，组织均 匀，而顺排时有一定数量的枝晶形成，如图 5 ( b) 所示． 2. 3 排列间距对 AlSi9Mg 组织的影响 以水滴形扰流柱为研究对象，排列方式为叉排， 排列方式如图 3 所示，排间距与列间距的比值约为 0. 375，实验结果见表 3，金相组织如图 6 所示． 由图 6 可以看出: 当排列间距较小时，形成的初 生 α--Al 相不均匀，且有一定数量的小枝晶，而 S 为 15 mm，L 为 40 mm 时，枝晶基本消除，组织均匀，圆 整度、固相率也有相应提高，轮廓清晰，组织为球形 或近球形; 随着排列间距的进一步增大，又出现枝晶 ·1245·