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稀有金属 2019,43(02),122-127 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy17050052
内部电磁搅拌对大规格 2219铝合金铸锭组织及性能的影响
邱阳 张志峰 高明伟 李豹 陈春生
北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心
摘 要：
针对普通半连铸大规格铝合金铸锭通常存在的晶粒粗大、组织不均匀以及由此导致的强度较低等问题, 本研究在普通电磁搅拌和环缝式电磁搅拌的基础上, 提出了一种新型熔体处理方法—内部电磁搅拌, 并将此方法应用于2219铝合金半连铸试验。通过与普通半连铸对比, 探究内部电磁搅拌对大规格铝合金铸锭组织及性能的影响, 以期为半连铸更大规格的铝合金铸锭提供参考与借鉴。结果表明, 相较于普通半连铸, 内部电磁搅拌半连铸2219铝合金铸锭的晶粒更加细小, 组织更加均匀, 从边部到心部的晶粒直径均在127～151μm范围之内;第二相的尺寸减小, 分布均匀且数量显著减少;铸锭的性能大幅提高, 在延伸率和断面收缩率提高的情况下, 平均抗拉强度提高了11%, 达到389 MPa, 平均屈服强度提高了10%, 达到286 MPa, 平均布氏硬度从HB 117.8提高到HB 137.8, 增幅达17%, 且铸锭的性能随着位置的变化波动较小;断口扫描发现铸锭中的疏松缺陷大幅减少。
关键词：
内部电磁搅拌 ;2219铝合金 ;组织及第二相 ;力学性能 ;断口形貌 ;
中图分类号： TG146.21
作者简介： 邱阳 (1991-) , 男, 河北承德人, 博士, 研究方向:高强铝合金电磁连铸技术研究, E-mail:qiuyangfish@163.com; *张志峰, 教授;电话:13522900206;E-mail:zhangzf@grinm.com;
收稿日期： 2017-05-25
基金： 国家国际科技合作计划 (2015DFA51230) 资助;
Microstructure and Properties of Large-Sized 2219 Aluminum Alloy Billet with Internal Electromagnetic Stirring Qiu Yang Zhang Zhifeng Gao Mingwei Li Bao Chen Chunsheng
National Engineering & Technology Research Center for Nonferrous Metal Matrix Composite, General Research Institute for Nonferrous Metals
Abstract：
Severe problems such as coarse grain, inhomogeneous microstructure and correspondingly lower strength usually exist in the large-sized aluminum alloy billet prepared by normal direct chill casting. According to those problems, a new melt treatment technique named internal electromagnetic stirring (I-EMS) was put forward, which was based on the normal electromagnetic stirring and annular electromagnetic stirring. The internal electromagnetic stirring was utilized for 2219 aluminum alloy direct chill casting experiment to explore its effects on microstructure and mechanical properties of billet by comparing with the normal direct chill casting, in order to provide references and suggestions for the larger-sized billet. The results showed that after melt treatment by internal electromagnetic stirring, the grains were finer and the microstructures were more uniform, of which the grain diameter were in the range of 127～151 μm. Moreover, the size and number of second phase decreased as well as it distributed homogeneously. Accordingly, its average tensile strength and yield strength increased by 11% and 10%, reaching to 389 and 286 MPa, respectively. The average Brignell hardness also increased by 17%, improving from HB 117.8 to HB 137.8. Furthermore, its properties fluctuated little with the position change while its porosities decreased significantly.
Keyword：
internal electromagnetic stirring; 2219 aluminum alloy; microstructure and second phase; mechanical properties; fracture morphology;
Received： 2017-05-25
2219铝合金作为火箭推进剂贮箱的常用材料, 是在Al-Cu二元合金的基础上添加了Mn, V, Ti, Zr等元素, 因此除了具有Al-Cu合金焊接性能优异的特点之外, 还具有较高的室温强度和高温持久强度, 已在航空航天领域取得广泛应用
[1 ,2 ]
。 2219铝合金性能的稳定与否对火箭的安全服役起到至关重要的作用, 但随着普通半连铸 (normal direct chill casting, NDC casting) 铸锭规格的增大, 熔体温度场的不均匀性也逐渐加剧, 铸锭不同部位冷却强度的差异越来越显著, 从而出现晶粒粗大、 组织不均匀等一系列问题, 并最终削弱产品的服役性能
[3 ,4 ,5 ,6 ]
。
电磁搅拌 (electromagnetic stirring, EMS) 是一种高效的熔体处理方法, 可解决较小规格的铸锭中存在的上述问题, 但由于集肤效应的存在, 心部熔体的搅拌强度非常有限, 以致不能实现均匀且充分的对流流动
[7 ,8 ,9 ]
。 为此, 本课题组提出了环缝式电磁搅拌 (annulus electromagnetic stirring, A-EMS) , 通过在熔体心部插入芯棒形成环缝, 避免了集肤效应带来的不利影响, 增加了电磁力的剪切强度
[10 ,11 ,12 ]
。 但随着熔体体积的增大, 这种传统的外置电磁搅拌器所占据的外部空间也越来越大, 不利于单位产量的提高。 而且感应线圈与熔体之间存在着较大的间隙, 导致磁场衰减严重, 能量利用率低。 因此, 本研究团队在普通电磁搅拌和环缝式电磁搅拌的基础上, 提出了内部电磁搅拌 (internal electromagnetic stirring, I-EMS) 新方法, 即将电磁搅拌器放置于熔体内部, 在交变电流的作用下产生自内而外的电磁力, 驱动熔体强制流动。 通过加速熔体传热和传质, 实现均匀熔体温度场和成分场的目的。 与传统的外部电磁搅拌相比, 内部电磁搅拌并不占据熔体之外的空间, 所以能够大幅节约生产用地; 且应用灵活, 可根据熔体规格安放一个或多个内置搅拌器; 此外通过减小熔体与感应线圈的间隙, 提高了磁场的利用率。
本研究将对2219铝合金进行普通半连铸 (NDC casting) 和内部电磁搅拌半连铸 (I-EMS DC casting) 试验, 通过对比固溶时效态的铸锭组织及力学性能, 探究内部电磁搅拌对Φ508 mm 2219铝合金的影响, 以期为半连铸更大规格的铝合金铸锭提供参考和借鉴。
1 实 验
试验用2219铝合金的化学成分见表1, 其原料分别为工业纯铝、 工业纯铜、 Al-10Mn、 Al-10Ti、Al-10V和Al-4Zr中间合金。 原料在中频感应炉中熔炼后进行旋转喷吹除气, 静置一段时间后进行半连续铸造。 半连铸的工艺参数为浇注温度775 ℃、 铸造速度28 mm·min-1 、 冷却水流量140 L·min-1 、 冷却水温22 ℃。 在内部电磁搅拌半连铸过程中, 将内部电磁搅拌器置于铸锭的液穴位置处, 具体的电磁参数为电流115 A、 电压65 V、 电流频率10 Hz。 内部电磁搅拌半连铸示意图见图1。
表1试验用2219铝合金的化学成分
Table 1 Chemical compositions of 2219 aluminum alloy (%, mass fraction )
Mn
Ti
V
Zr
Al
0.31
0.069
0.098
0.19
Bal.
将Φ508 mm的普通半连铸铸锭与内部电磁搅拌半连铸铸锭进行480 ℃×12 h均匀化退火, 随后分别在连铸达到稳态的区域锯切厚度约为2 cm的圆片, 沿径向在此圆片的不同部位处取样。 将试样置于电阻炉中进行535 ℃×2.5 h固溶处理, 对固溶后的试样进行室温水淬, 淬火转移时间不超过3 s, 最后进行165 ℃×21 h时效处理。
将部分时效处理后试样依次进行粗磨、 精磨、 粗抛、 精抛, 随后对其在2.5%HBF4 溶液和30 V直流电压下阳极覆膜以观察彩色金相, 在2.5%HNO3 +1.5%HCl+1%HF+95%H2 O溶液中进行腐蚀以观察第二相形貌与分布, 所用光学显微镜 (OM) 为Zeiss Axiovert 200 MAT。 将另一部分的时效后的试样机加工成标准圆形拉伸试样, 采用AG-IS250kN/SHIMADZU万能材料试验机测试力学性能, 采用JSM-6510扫描电镜 (SEM) 观察断口形貌。 采用HBE-3000A型电子布氏硬度计对其余的时效后的试样进行硬度测量。
图1 内部电磁搅拌半连铸示意图
Fig.1 Schematic diagram of I-EMS DC casting apparatus
1-Internal electromagnetic stirrer;2-Coils;3-Hot top;4-Melt;5-Mold;6-Billet
2 结果与讨论
2.1内部电磁搅拌对铸锭组织及第二相的影响
图2为固溶时效态2219铝合金铸锭不同位置处的显微组织。 由图2可知, 普通半连铸铸锭的边部由异常发达的羽毛状晶组成, 0.5R 处呈现柱状晶向等轴晶过渡的特点, 心部为尺寸差异很大的等轴晶, 最大的晶粒尺寸超过了2 mm。 而经过内部电磁搅拌之后, 不同位置处的组织均由等轴晶组成, 晶粒尺寸明显减小且更加均匀, 平均晶粒直径在127～151 μm之间。
图3为固溶时效态2219铝合金第二相的形貌及分布状况, 可以发现, 在普通半连铸铸锭中, 晶界处存在着大量粗大的第二相, 如图3 (a) 所示, 其尺寸超过了100 μm, 这些网状的第二相通常呈脆性, 且后续的变形加工难以将其完全消除。 内部电磁搅拌之后, 铸锭中的网状第二相发生破碎, 尺寸显著减小至不超过25 μm, 且分布得更加均匀, 同时第二相数量也大幅减少, 如图3 (b) 所示。
内部电磁搅拌器占据了熔体中心的位置, 在一定程度上降低了心部熔体的热量, 同时也与热顶结晶器形成环缝, 极大地增加了电磁力的剪切强度。 环缝中的熔体在电磁力的作用下强制对流
[13 ]
, 加速了传热和传质, 在增大过冷度的同时, 实现熔体温度场和成分长的均匀, 在此基础上减轻了溶质在凝固前沿液相中的富集, 抑制了枝晶的生长, 促进了柱状晶向等轴晶的转变, 有助于材料组织和第二相的细化和均匀化。 此外, 晶核数量的增加对组织的改善也起到了促进作用。 在电磁力的作用下, 游离的枝晶间发生剧烈地碰撞, 以致二次枝晶臂破碎, 碎块成为新的晶核
[14 ]
。 同时电磁搅拌对结晶前沿的冲刷作用也起到抑制柱状晶生长并增加晶核数量的作用
[15 ]
。 对于通过增加晶核数量实现组织的细化, 还存在如下两种观点。 “连续形核机制
[16 ]
”指出, 在强对流作用下, 正在凝固的熔体中存在着连续的非均匀形核, 这些核心在均匀的温度场和成分场中可全部存活并继续长大。 “多步形核机制
[17 ]
”指出, 在强剪切作用下, 熔体中均匀分布的氧化物颗粒为Al3 Ti的非均匀形核提供了活性位点, 同时均匀且细小的Al3 Ti颗粒又为α-Al的形核提供活性位点, 在这种“多步形核机制”的作用下, 即使冷却速度较低, 也可实现晶粒的细化。
图2 普通半连铸和内部电磁搅拌半连铸铸锭不同部位的金相组织
Fig.2 Microstructure of different positions obtained from NDC casting billet and I-EMS DC casting billet
(a～c) Edge, 0.5R and center of NDC casting billet; (d～f) Edge, 0.5R and center of I-EMS DC casting billet
图3 普通半连铸和内部电磁搅拌半连铸铸锭第二相的形貌及分布
Fig.3 Morphology and distribution of second phase obtained from NDC casting billet (a) and I-EMS DC casting billet (b)
2.2内部电磁搅拌对铸锭力学性能的影响
表2显示的是2219铝合金铸锭不同位置处的力学性能。 可以发现, 内部电磁搅拌大幅提高了合金的力学性能。 其中, 平均抗拉强度由349 MPa提高到389 MPa, 增加了11%; 平均屈服强度由259 MPa提高到286 MPa, 增加了10%; 同时, 延伸率和断面收缩率也有所提高。 对于抗拉强度和屈服强度, 提升最明显的部位分别出现在边部和0.5R 处, 均达到了13%。 通过对比不同部位的力学性能, 发现从心部到边部, 普通半连铸铸锭的性能波动较大, 而经过内部电磁搅拌熔体处理后, 铸锭的性能更加平稳。
图4显示的是普通半连铸和内部电磁搅拌半连铸2219铝合金的布氏硬度。 如图4所示, 从边部到心部, 普通半连铸铸锭的硬度逐渐降低, 在距离边部0.4R 处达到最低HB 112, 后逐渐升高, 在心部达到最高HB 125, 铸锭的平均硬度为HB 117.8。 内部电磁搅拌熔体处理之后, 铸锭的平均硬度为HB 137.8, 较普通半连铸铸锭提高了HB 20, 增幅达到了17%, 而且不同部位的硬度差别很小, 始终处于HB 136～139范围之内。
表22219铝合金铸锭的力学性能
Table 2 Mechanical properties of 2219 aluminum alloy billet
Samples
Position
Tensile
Yield
Elongation/%
Reduction
Edge
345
259
4
5
0.5R
343
253
4.5
6
Center
359
264
7
9
Edge
390
286
7
9
0.5R
387
287
6
8
Center
391
286
5
9
材料的组织对其性能有着重大的影响, 根据Hall-Petch关系式可知, 随着晶粒尺寸的减小, 晶界面积大幅增加, 位错运动的滑移阻力增大, 材料强度和硬度提高。 同时, 拉伸产生的变形量可以均匀的分散到更多的晶粒中, 减小了局部应力集中的风险, 有效延缓微裂纹的产生和扩展, 从而提高了伸长率。 因此, 内部电磁搅拌之后, 2219铝合金的性能得到了极大改善, 主要原因在于晶粒的细化和组织的均匀化。 此外, 铸锭中第二相形貌与分布的改善同样降低了应力集中与裂纹萌生的倾向, 其数量的减少也意味着更多的第二相固溶进入基体, 固溶体过饱和度的增加有助于时效处理过程中析出更多的强化相
[18 ]
, 从而提高材料的强度。
图4 普通半连铸和内部电磁搅拌半连铸铸锭不同部位的布氏硬度
Fig.4 Brinell hardness in different positions of NDC casting billet and I-EMS DC casting billet
对拉伸断裂后的试样进行断口扫描, 发现普通半连铸铸锭的断口上存在着疏松, 如图5 (a) 所示, 这主要是由于合金在连铸过程中先凝固的部分体积收缩, 而后凝固的熔体未能及时补充, 以致形成了微小的孔洞。 2219铝合金的固相线和液相线分别是543和643 ℃, 过宽的结晶温度区间加之较大的铸锭尺寸增加了凝固间隔, 给补缩带来了很大的难度。 经过内部电磁搅拌处理之后, 断口呈现典型的韧性断裂特征, 表面存在大量细小的等轴韧窝, 且未出现明显的疏松缺陷, 如图5 (b) 所示。 由此可知, 内部电磁搅拌减少了铸锭中的疏松缺陷, 其原因在于电磁搅拌在增大冷却速率的前提下, 减小了熔体的温度梯度, 缩短了熔体凝固至特征固相分数所需的时间, 减小了心部熔体和边部熔体的凝固间隔; 同时通过增加等轴晶数量, 减小了熔体流动的晶间阻力, 避免了普通半连铸过程中因枝晶搭接造成晶间熔体被封闭以致难以补缩等现象的出现, 增大了可补缩区; 此外电磁搅拌增强了熔体的流动能力, 也为补缩创造了有利条件
[19 ,20 ]
。 疏松缺陷的大幅减少, 减小了由于应力集中引起裂纹的风险, 有助于材料力学性能和疲劳强度的提升
[21 ,22 ]
, 进而延长其服役寿命。
图5 普通半连铸和内部电磁搅拌半连铸铸锭的断口形貌
Fig.5 Fracture morphology of NDC casting billet (a) and I-EMS DC casting billet (b)
当熔体体积增大到一个内部电磁搅拌器不足以进行有效搅拌的时候, 可在熔体中放入多个内部电磁搅拌器, 并可与常规的外置电磁搅拌器同时使用, 以实现更大规格熔体的均匀搅拌。 此外, 内部电磁搅拌装器还可耦合冷却功能, 即在搅拌器的内部通入冷却介质, 通过冷却介质、 搅拌器壁以及熔体的相互接触, 将熔体的热量传导出去, 有助于温度场的均匀, 在连铸中可实现液穴深度的降低。
3 结 论
1. 内部电磁搅拌可有效地细化晶粒、 均匀组织。 对于Φ508 mm 2219铝合金, 内部电磁搅拌半连铸铸锭的平均晶粒直径在127～151 μm之间。 同时, 第二相也得到了显著的细化和均匀化。
2. 内部电磁搅拌大幅提高了铸锭的性能。 相较于普通半连铸铸锭, 内部电磁搅拌半连铸铸锭的平均抗拉强度提高了11%, 达到389 MPa; 平均屈服强度提高了10%, 达到286 MPa; 延伸率和断面收缩率也有所提升; 平均硬度提高了17%, 达到HB 137.8; 而且铸锭的性能随着位置的变化波动较小。
3. 拉伸试样的断口显示: 内部电磁搅拌减少了铸锭中的疏松缺陷。
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