铝合金因其良好的导电性、导热性、可焊性和塑性等特点，被广泛应用于航天、航空、建筑、机电、轻化和日化等领域，其中亚共晶Al-Si合金具有优秀的铸造性能、耐腐蚀性能以及利于节能环保和回收再利用等。随着我国经济逐渐增长，工业规模空前提高，为实现“碳达峰、碳中和”的目标，Al-Si合金是其中具有广阔前景的材料之一。

传统铸造形成的凝固组织易出现气孔、缩松等缺陷，为解决上述问题，许多凝固技术应运而生，如定向凝固、快速凝固、电磁凝固、超常凝固以及半固态凝固等。但这些凝固技术通常被生产成本、生产规模、生产环境等制约，于是一种被称为受控扩散凝固（Controlled Diffusion Solidification，CDS）的新型晶粒细化技术被提出，其可以获得组织致密细小，并且呈现非枝晶形貌的铸件，故可用于制备半固态非枝晶浆料。

自CDS问世以来，国内外的研究者对该工艺进行了大量研究。APELIAN D等基于热力学、液体混合和凝固过程3个方面提出了CDS机理的理论框架，KHALAF A A等通过混合、形核、生长3个阶段解释了CDS发生的过程，并采用ANSYS和COMSOL两种软件对CDS混合过程中异常晶粒的形成、凝固和稳定性做了更深入的分析。通过液-液混合的方式制备Al-20Si合金，验证了CDS需要的热力学条件。通过固-液混合制备了Al-18Si合金，研究了母合金温度对目标合金组织和性能的影响。采用Fluent软件模拟了CDS强制对流混合过程中各物理场的分布，并以此对混合熔体中的形核率进行定性预测。提出在母合金过热度不高于10 K时，凝固网格数的相应占比分别约为33%和34%。也就是说，当凝固网格数的占比高于30%时，可以获得具有尺寸小且非枝晶形貌的相对理想的微观结构。同时，混合过程复杂多变，人为不可能测量各物理场，故本研究采用Fluent软件数值模拟CDS混合过程，以直观地展现混合结果，并结合试验研究CDS制备亚共晶Al-Si合金时，母合金混合比对目标合金中初生α-Al相的形貌和尺寸的影响，以期为Al-Si合金凝固组织调控提供参考。

图文结果

利用Fluent软件对母合金99.8%（质量分数，下同）纯Al比例分别为83.3%、50%、33.3%和16.7%等4组试验进行模拟计算，基于连续性方程、Navier-Stokes方程以及能量守恒方程等，对CDS混合过程中母合金对流情况模拟，传热与传质计算所需材料热物性参数见表1。图1为受控扩散凝固混合及浇注示意图。将画好的模型导入ICEM网格划分软件ICEM中，对空间上连续的物理模型进行网格划分，见图2。

表1 材料热物性参数

图1 受控扩散凝固混合及浇注示意图
1.目标合金 2.合金1 3.摄像头 4.棒状铸件
5.模具 6.控制系统 7.合金2

图2 网格划分模型

将纯Al与Al-12Si作为母合金，通过控制系统设定倾转角速度，使两种合金熔体同时混合，得到目标合金并将其浇入模具中，获得棒状铸件，见图1。母合金总质量恒为2 kg，过热度均为5 K，通过改变纯Al（合金1）在母合金中的比例，来观察纯Al对目标合金凝固组织的形成以及初生α-Al相的形貌和尺寸的影响。根据不同混合比进行计算、配料，具体试验参数见表2。

将合金1与合金2分别置于两个涂有MgO的石墨坩埚中，在SG-7.5-10井式电阻炉中加热至各自液相线温度以上50 K，盛接目标合金的坩埚需要在目标合金的液相线温度附近预热。坩埚中金属完全熔化后，随后转移至混合设备，待熔体温度降至混合温度后，通过控制系统启动设备，合金熔体充分对流并完全混合入目标合金坩埚，随后迅速将目标合金熔体浇入壁厚为37 mm、内腔ϕ45 mm×370 mm的金属型中，待熔体完全凝固后，于铸锭中心处取10 mm×10 mm×10 mm方块试样，使用砂纸以及磨样机对试样进行抛光，最后经过Keller试剂的腐蚀得到金相试样，在Axio Scope A1 Optical Microscope（OM）金相显微镜下观察试样中初生α相，用Image-Pro-Plus软件对初生α相的晶粒尺寸进行测量。

表2 试验参数

图3为纯Al与Al-12Si合金以不同比例通过CDS技术混合后2 s时，在熔体半高横截面处的温度场。可以看出，随着母合金纯Al比例降低，Al-12Si作为低温熔体的质量分数逐渐升高，随着熔体温度逐渐降低，混合熔体的过热度逐渐降低。混合比为1∶1时，随着质量差由母合金纯Al50%的占比逐渐增大或逐渐减小，高质量熔体与低质量熔体之间的质量差越来越大，导致传热速率越来越快，最终使得均匀化所需的时间越来越少。

图4为纯Al与Al-12Si混合后2 s时，在熔体半高横截面处的Si浓度场。可以看出，随着母合金质量差增加，溶质场趋于均匀化，但Si元素的富集状态有所不同。图4a中Si元素由外圈向内圈扩散，图4b呈现横向均匀扩散，图4d则是由中心向四周扩散。通过CDS技术进行的混合过程中，会产生许多富Al小熔池，显然呈梯度分布的溶质场无法更加有效地传质，低温熔体对高温熔体的激冷作用也不够强，故图4c更加混乱的溶质场能够促进非均匀形核，更有利于小熔池的产生。

由于在调整母合金混合比的同时，其质量差也发生改变，因此混合熔体的流动状态必定发生改变，而流场对溶质扩散情况和热传输情况影响较大。一般认为，对流强度越高则熔体内温度场和溶质场均匀化的速率就越快。图5为纯Al和Al-12Si以不同比例混合后2 s熔体半高横截面的流场。可以看出，混合比越接近1则流场强度越高，但当混合比为1∶1时，熔体流动呈现规则的涡流，而非混合比1∶2时的紊流，故混合比为1∶2时紊流强度更高，能够达到更好地混合效果。

当纯Al与Al-12Si充分混合后，低温熔体对高温熔体产生激冷作用，同时在冲击力的作用下形成了许多均匀分散的小熔池，为混合阶段的大量形核提供了客观条件。对图4中溶质场靠近中心的区域进行放大，见图6。图6a中，由于高温熔体较多，因此过热度较高，形成的小熔池尺寸较小且过渡界面层较少，这代表着小熔池难以形成且难以稳定存在。当混合比为1∶1时，形成了尺寸较大的熔池，这说明混合后冲击力不足，而在图6c中，形成了尺寸适中的小熔池，且具有多层过渡界面，保证了其稳定存在，从而提高了形核率。图6d中则是反常地形成了尺寸过大的熔池，这是因为混合比为1∶5时，流场强度最弱（见图5d），故混合效果太差，难以形成小熔池。

图3 纯Al与Al-12Si以不同比例混合后2.0 s熔体半高横截面的温度场

图4 纯Al与Al-12Si以不同比例混合后2.0 s的熔体半高横截面的溶质场

图5 纯Al与Al-12Si以不同比例混合2 s后熔体半高横截面的流场

图6 图4中框标区域的放大图像

利用Fluent软件UDF后处理模块，将4组熔体的温度场与溶质场结合处理，对混合熔体进行网格筛选，得到了凝固网格示意图，见图7。过冷区域的筛选是根据当前网格内Si浓度下的液相线温度，结合实时温度场，低于液相线处的网格作为过冷区域。

图8为受控扩散凝固技术形核原理图。纯Al与Al-12Si合金发生强制对流混合，在两熔体发生接触的界面前沿，低温熔体对高温熔体激冷，产生了一个呈现过渡态的过冷区域，在此区域传热与传质的方向相反，液相中自发形核，晶核得以生长并展现出非枝晶形貌。在此过程中，固液界面前沿，晶核始终向着纯Al一侧生长，一定的过热度保证了过冷区域稳定存在，而传热的速率高于传质，是非枝晶形核的重要依据。

图9为4组模拟的形核示意图。当母合金纯Al比例大于33.3%时，形核率受过冷度制约，低温熔体无法为纯Al提供足够的过冷度，新生晶核与再生晶核在这种相对过热的状态下合并粗化，形成了尺寸较为粗大的晶粒，形核率较低。而纯Al比例低于33.3%时，形核率受纯Al本身制约，非枝晶生长依赖于初生α相的析出，初生α相则首先由纯Al中析出，同时，纯Al作为被过冷的高温熔体，其比例过低导致过冷区域减少，综上所述，形核率降低。图10为Al-Si二元相图（使用Factsage软件绘制），a、b、c和d分别为母合金纯Al比例为83.3%、50.0%、33.3%和16.7%经过CDS技术混合后目标合金冷却过程中初生α-Al相的析出区间。

图7 纯Al与Al-12Si以不同比例混合后1.8 s熔体半高横截面的凝固网格示意图（灰色区域为过冷区域）

图8 CDS形核原理
1.质量 2.热量 3.Al-12Si合金 4.纯Al 5.过冷区

图9 不同混合比例下形核示意图

图10 Al-Si合金二元相图

图11为传统铸造工艺制得的Al-8Si合金的凝固组织。其中，亮白色区域的枝晶组织是在凝固中形成的初生α-Al相，而灰色区域则是共晶Si。初生α-Al枝晶在凝固过程中首先析出，其次在交错的枝晶臂之间生成共晶Si组织。传统铸造所得的凝固组织呈树枝状形貌且较为粗大，其中不乏尺寸大于200 μm的枝晶臂。

图12为纯Al与Al-12Si以不同混合比通过CDS技术制备的Al-2Si、Al-6Si、Al-8Si和Al-10Si合金的显微组织。可见CDS技术对初生α相产生了明显的细化作用，由传统铸造得到的树枝晶转变为非枝晶形貌。当母合金中纯Al占比为33.3%时，初生α-Al的晶粒尺寸达到最小51.98 μm，晶粒最为圆整，并且分布均匀形核率较高。随着纯Al在母合金中占比提高，晶粒尺寸逐渐增大，且由于共晶Si减少，部分晶粒发生重熔合并，更易形成蔷薇状组织。当纯Al占比为83.3%时，平均晶粒尺寸高达108.24 μm。若纯Al占比低于33.3%，形核率显著降低，故纯Al比例为33.3%所得的凝固组织最佳。

图11 传统铸造Al-8Si合金的显微组织

图12 纯Al与Al-12Si以不同比例混合后所得的合金的显微组织

图13为Al-4Si合金与Al-12Si合金通过CDS技术金属型铸造的Al-8Si合金的显微组织。与图12c对比，在Si含量相同的情况下，共晶Si相占比略高，其中非枝晶向蔷薇状转变。母合金纯Al比例低于33.3%或为0时，共晶Si相存在抑制非均匀形核并诱导其向树枝晶发展的趋势，由此推断，纯Al在母合金中有不可忽视的作用。母合金在CDS技术下混合时，为非枝晶的生长提供了形核基底，适当的纯Al占比可以达到最理想的形核率。图14为不同Al含量的合金初生相的平均晶粒尺寸和形状因子。可以看出，随着纯Al含量减小，合金粒尺寸和形状因子均先减小后增大，在Al含量为33.3%时合金组织平均晶粒尺寸和形状因子最小，分别为51.98 μm和1.39。

图13 Al-4Si合金与Al-12Si合金混合后金属型铸造Al-8Si合金组织

图14 纯Al与Al-12Si以不同比例混合后（按混合后Al含量表示）所得的合金初生相平均晶粒尺寸
和形状因子

结论

（1）CDS工艺能够细化Al-Si合金晶粒尺寸，将枝晶组织改善为非枝晶形貌，克服了传统铸造产生的气孔、缩松等缺陷。

（2）通过CDS技术混合纯Al与Al-12Si合金，纯Al比例为33.3%时，达到理想的形核率与晶粒尺寸。

（3）初生α相首先由纯Al析出，在固液界面前沿晶核始终向着纯Al一侧生长，纯Al是非枝晶的形核基底。

（4）母合金无纯Al时，目标合金CDS金属型凝固组织出现蔷薇状组织，非枝晶形貌被诱导向树枝晶发展。

《母合金混合比对受控扩散凝固制备Al-Si合金组织的影响》

李朝阳1 陈体军1,2 侯钦嵩1 李绍斯1

1.兰州理工大学有色金属先进加工与再利用省部共建国家重点实验室；2. 兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志社