7xxx系铝合金因具有较低的密度、良好的比强度及硬度等特性，近年来在航空航天、交通运输及军工行业的应用越来越广泛。传统的7xxx系铝合金成形采用熔炼、铸坯、热加工的长流程工艺，成本较高。7xxx系铝合金具有合金化程度高、凝固区间宽、偏析严重等特性，因此其直接铸造成形的铸件中存在热裂、缩松及缩孔等缺陷。为了解决这一难题，研究者提出了很多物理或者化学的熔体处理方法。研究了Ti、Sc、Zr等细化剂对7xxx系铝合金的凝固组织的影响，结果表明，Ti、Sc、Zr等细化剂能有效细化凝固组织的晶粒且改善了微观偏析，热裂、缩松及缩孔等缺陷得到一定改善，从而提高了铸件的力学性能，但宏观偏析现象依然明显。因此，诸多学者对7xxx系铝合金施加物理外场，期望获得温度场和成分场均匀的熔体，以实现7xxx铝合金直接铸造成形，并获得组织均匀、细小、力学性能接近锻件的铸件。如双螺旋搅拌法、超声振动法、蛇形通道法和环缝式电磁搅拌法，并取得了良好的效果，但这些熔体处理方法尚存在一些局限性，如污染熔体、剪切强度低、处理能力小、处理效率低等。因此，开发一种无污染、剪切强度高、处理能力大、处理效率高的熔体处理方法具有非常重要的价值和意义。本研究开发了复合环缝式电磁搅拌（Multi-Annular Electromagnetic Stirring, M-AEMS）熔体处理方法，并研制了M-AEMS熔体处理装置。采用该装置对7075铝合金进行了熔体处理，并经挤压铸造直接成形。

图文结果

采用商用7075铝合金为试验材料，并对其熔体进行了微合金化处理，其化学成分见表1。在环缝式电磁搅拌方法的基础上，结合电磁屏蔽技术和中心冷却技术，开发了一种复合环缝式电磁搅拌（M-AEMS）方法，见图1。并研制了M-AEMS熔体处理装置，见图2。采用该装置对20kg的7075铝合金进行熔体处理后，采用挤压铸造成形，成形模具和成形设备见图3。7075铝合金在电阻炉中进行熔炼，熔炼坩埚采用石墨粘土坩埚，熔炼温度为1050K，待7075铝合金熔清后，将质量分数为2%的Al-10Sc中间合金加入坩埚内，并保温20min后降温至1000K。7075铝合金熔体经除气、精炼和除渣后静置10min，随后将20kg温度为1000K的7075合金熔体浇注到预热温度为570K的不锈钢坩埚内，同时开启M-AEMS熔体处理装置及测温装置，电磁搅拌的电流参数为30A、10Hz，待合金熔体降温至930K，搅拌终止。随即将处理完毕的7075铝合金熔体浇入履带板模具型腔内，经挤压铸造成形，模具预热温度为500K，成形比压为70MPa。

表1 合金实测化学成分(%)

(a)三维图 (b)剖面图
图1 M-AEMS熔体处理装置示意图
1.冷却水箱 2.搅拌坩埚 3.中心冷却芯棒 4.出水口5.电源线进线口 6.冷却芯棒升降气缸
7.进气口8.出气口 9.电磁屏蔽环 10.铁芯 11.磁轭 12.线圈

图2 M-AEMS熔体处理装置

图3 7075铝合金挤压铸造成形装置
(a)履带板模具 (b)LYF-400SA型油压机

图4为7075铝合金经微合金化后分别经普通挤压铸造和M-AEMS处理后挤压铸造成形的履带板铸件不同位置的微观组织。可见经M-AEMS处理后，7075铝合金铸件不同位置处的晶粒尺寸均减小。为了准确分析M-AEMS对7075铝合金铸件微观组织的影响，进行了晶粒取向EBSD成像分析，见图5。采用面积法测量了铸件不同位置的晶粒尺寸分布，结果见图6。经Sc、Zr微合金化后的7075铝合金熔体直接挤压铸造成形的履带板铸件边部、中部及心部的平均晶粒尺寸分别为61、73、78μm，见图6a～图6c。经Sc、Zr微合金化和M-AEMS熔体处理后挤压铸造成形的7075铝合金履带板铸件边部、中部及心部的平均晶粒尺寸分别为57、67、68μm，见图6d～图6f。采用晶粒尺寸不均匀因子（Z=Dmax/Dm）来表征铸件中晶粒尺寸的均匀性；Dmax为最大的3～5个晶粒的平均直径；Dm为晶粒的平均晶粒直径。表2为不同试验条件下7075铝合金履带板铸件的晶粒尺寸不均匀因子。由图6和表2可见，M-AEMS熔体处理方法不仅能细化7075铝合金铸件的晶粒尺寸，还能促进铸件中不同位置处的晶粒尺寸均匀化。

图4 经M-AEMS处理前后铸件不同位置的微观组织
(a)无M-AEMS,边部 (b)无M-AEMS,中部
(c)无M-AEMS,心部 (d) M-AEMS处理,边部
 (e)M-AEMS处理,中部 (f)M-AEMS处理,心部

图5 7075铝合金铸件EBSD成像形貌
(a)无M-AEMS,边部 (b)无M-AEMS,中部
(c)无M-AEMS,心部 (d) M-AEMS处理,边部
(e)M-AEMS处理,中部 (f)M-AEMS处理,心部

图6 晶粒尺寸分布图

表2 不同试验条件下7075铝合金履带板铸件的晶粒尺寸不均匀因子(Z)

图7为7075铝合金在不同试验条件下挤压铸造成形的履带板铸件在不同位置处Zn、Mg、Cu等主要合金元素的浓度分布。不同试验条件下的7075铝合金铸件中Zn、Mg、Cu等主合金元素的浓度分布表明，无论是否经过Sc、Zr细化，M-AEMS熔体处理均能有效提高铸件中不同位置处的Zn、Mg、Cu元素分布的均匀性。不同工艺条件下7075铝合金铸件中Zn、Mg、Cu元素的平均偏析率见图8。可以看出，Sc、Zr细化对铸造中Zn、Mg、Cu元素的宏观偏析现象无明显改善，而M-AEMS熔体处理方法能显著改善铸件中的宏观偏析现象。7075铝合金为可热处理铝合金，为了获得更佳的力学性能，对普通挤压铸造，M-AEMS+挤压铸造、Sc、Zr细化+挤压铸造，Sc、Zr细化+M-AEMS+挤压铸造4种工艺条件下成形的7075铝合金履带板进行了T6处理试验，热处理制度为：738K×8h+748K×4h固溶热处理，水淬，393K×24h时效处理。

                      (a)Zn                                           (b)Mg                                             (c)Cu
图7 不同工艺条件下7075铝合金履带板铸件中不同位置处Zn、Mg、Cu元素的浓度分布

图8 不同工艺的7075铝合金铸件中Zn、Mg、Cu的偏析率

图9 不同工艺条件下履带板铸件的力学性能

结论

(1) M-AEMS熔体处理能改善7075铝合金履带板铸件的微观组织。经M-AEMS熔体处理后，7075铝合金履带板铸件不同位置处的平均晶粒尺寸由61、73和78μm降至57、67和68μm，晶粒尺寸不均匀因子由3.3降至2.5。

(2) Sc、Zr细化对7075铝合金中Zn、Mg、Cu的宏观偏析无明显影响，而M-AEMS处理则能显著改善铸件中的宏观偏析。

(3）添加Sc、Zr和采用M-AEMS处理均可提高7075铝合金的力学性能，经Sc、Zr细化+M-AEMS处理后挤压铸造成形的7075铝合金铸件T6态的屈服强度、抗拉强度、伸长率分别为：481MPa、586MPa和9.4%，这主要与组织细化与偏析减少有关。

本文作者：

何敏1,2 张志峰1 毛卫民2 徐骏1

1.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；

2.北京科技大学材料科学与工程学院

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志社，《压铸周刊》战略合作伙伴