关键词：
镁合金大型铸锭
半连续铸造
组织调控
均质化
差相低频脉冲电磁场
摘要：
随着变形镁合金构件不断朝着大型化、一体化、高性能化等趋势发展,对镁合金铸锭冶金质量提出了更高要求。然而,由于镁合金的自身及半连铸工艺特性,大型铸锭往往容易出现晶粒粗大、不均匀,成分不均匀等非均质问题,这些制约了其进一步发展与应用。发展新型大型铸锭细化、均质化技术,揭示大型铸锭组织调控机理对保障镁合金重大构件的制造、降低制造过程消耗具有重大意义。
本文以典型含Zr的ZK61镁合金为研究对象,开发了新型Mg-Zr中间合金预处理工艺,研究了Zr形态对镁合金晶粒细化的影响规律,获得了细化效果佳的Mg-Zr中间合金,为制备高品质大型铸锭提供了基础。研究了稀土（RE）微合金化对镁合金大型铸锭凝固组织的影响规律,指出了RE微合金化的局限并提出了新型差相低频脉冲电磁（DLPM）半连铸工艺。研究了DLPM半连铸对大型铸锭凝固组织的影响规律,揭示了DLPM耦合下大型铸锭组织细化、均质化机理,获得了最佳半连铸工艺参数,制备出均质化镁合金大型铸锭。在此基础上,还研究了DLPM对大型铸锭热变形能力的影响,揭示了大型铸锭组织均匀性对后续热变形行为的影响机制。主要结论包括:
（1）Zr对镁合金晶粒细化的贡献由溶质Zr和颗粒Zr共同决定,两者发挥细化协同效应。溶质Zr抑制α-Mg晶粒的生长,而颗粒Zr起到异质形核核心的作用。溶质Zr含量越高,有效形核区间内颗粒Zr数量越多,晶粒细化效果越佳。预处理后Mg-Zr中间合金的溶质Zr含量从0.25%增加到0.48%,直径小于5μm的Zr颗粒含量从31.0%增加到96.5%,对ZK61镁合金晶粒细化效果提升了32.4%。
（2）RE微合金化在一定程度上细化了ZK61圆锭的晶粒尺寸,增加了第二相含量,改善了热裂纹缺陷。引入1.0%RE,首先,α-Mg平均晶粒尺寸由144.08μm降低到128.38μm,晶粒尺寸的均匀性变化不大。晶粒的细化主要归因于RE偏聚在固/液界面引起的成分过冷效应。其次,铸锭的中心、R/2及边缘部位共晶第二相含量分别由2.44%、1.38%及0.95%增加到3.27%、2.76%及2.53%。第二相含量的增加主要是由于RE的加入,降低了基体中Zn的固溶度。在凝固过程,多余的Zn原子与Mg原子共同作用生成Mg-Zn（RE）相。再者,铸锭热裂纹深度与宽度明显减小,这是由于共晶第二相的增加,提高了裂纹的愈合能力,抑制了裂纹的萌生与扩展。
（3）DLPM具有更强的电磁渗透深度和对流效应。在X=0.1 m处,单相低频脉冲电磁场（SLPM）的Lorentz力为26.1 N/m3,而DLPM的为33.6 N/m3。在DLPM作用下,Lorentz力存在两个峰值,可产生纵向梯度Lorentz力场,形成旋转力矩,实现熔体的电磁振荡与强制对流同步作用,加快中心部位高温熔体热量的散失,促使温度场均匀。
（4）DLPM半连铸有利于镁合金大型铸锭凝固组织的细化与均匀化。与DC铸造相比,DLPM工艺下Φ525 mm ZK61-RE圆锭的枝晶趋于球化,平均晶粒尺寸由120.38μm减小为100.61μm,晶粒尺寸最大偏差由33.79%降低为10.17%。Zn、RE及Zr元素含量的最大偏差分别由16.30%、28.46%、21.09%降低到9.76%、15.23%、11.22%。DLPM通过减小系统自由能、临界形核半径、临界形核功与温度梯度,增加非均匀形核基底数等实现凝固组织细化与均匀化。枝晶球化主要归因于电磁力引起的强制对流和焦耳热效应。
（5）DLPM半连铸改善了镁合金大型铸锭的铸造缺陷。首先,消除了热裂纹,其原因主要为DLPM耦合减小了铸锭不同部位的温度梯度,促使整个凝固过程趋于同步,减小了热裂纹形成的驱动力,同时还改善了铸造条件,提高了合金抗热裂性能及凝固补缩能力。其次,改善了铸锭的表面质量,减小了表面冷隔纹的深度。其原因主要为DLPM耦合下的Lorentz径向分量对镁合金熔体的约束力形成曲率半径小的弯液面,在实现镁熔体与结晶器内壁软接触的同时,减小了冷隔纹深度。
（6）DLPM半连铸改善了镁合金大型铸锭的热变形能力,提高了铸锭各部位流变应力均匀性,降低了平均流变应力。在变形温度为300℃,应变速率为0.01 s-1条件下,铸锭各部位峰值应力偏差由32.0%减小到5.9%;平均峰值应力由123.8 MPa降低为117.5 MPa。热变形能力的改善主要归因于铸锭凝固组织的细化与均匀化,强化了热变形过程的动态软化作用。
综上,在RE微合金化的基础上,DLPM半连铸消除了ZK61镁合金大型铸锭的开裂现象,细化了晶粒尺寸,提高了组织均匀性,改善了成分偏析现象。同时,减少了铸锭加工时的变形抗力,改善了成形性。
