摘要

通过阶段淬火方法，准原位观察了Mg-Al系合金炉冷凝固过程凝固组织形貌及特征参数的演变过程。凝固过程中枝晶较为粗大，数量较少，粗化较为严重，共晶组织由条状共晶相和分散的岛状共晶相构成。使用多种形貌特征参数刻画了枝晶形貌，发现Mg-Al系合金凝固过程中形貌复杂化和粗化并存，前期以形貌复杂化为主，后期粗化占主导地位，进一步建立了形貌特征参数、成分和固相率之间的关系模型。

对于凝固组织的研究离不开对其形貌的描述，凝固组织形貌特征参数可以反映凝固组织某方面或某一凝固阶段的凝固特点，如枝晶臂间距、比表面积和分形维数等。枝晶臂间距是指相邻同次枝晶间的垂直距离，它是枝晶组织细化程度的表征，其中一次枝晶臂间距会影响力学性能，二次枝晶臂间距会影响成分偏析、第二相及显微孔洞的分布等。比表面积是单位体积材料的表面积，又称为表面积密度，可以反映枝晶的粗化程度，是度量整体结构形貌的重要参数。分形维数可以将复杂图形在不同尺度上的特征集合在一起综合体现，实现对图形的多尺度描述。

近年来，学者对凝固条件和形貌特征参数之间的关系开展了大量研究。通过记录分析金属及类金属化合物的凝固过程，可以获取枝晶生长、组织演变等微观现象的实时数据。如Han和Trivedi通过对丁二腈-丙酮体系开展定向凝固研究，得出稳态生长条件下枝晶一次臂间距的大小存在一定的范围，并建立了一次枝晶臂间距与凝固条件之间的关系模型。Kaya等研究了丁二腈-四溴化碳合金在温度梯度为7.5 K/mm、生长速率范围为6.5~103.5 μm/s时的凝固行为，发现二次枝晶臂间距相对于一次枝晶臂间距受凝固过程生长速率和成分的影响更大。Sun等发现Mg-Y-Zr合金在0.8~83.0 K/s的冷却速率范围内，二次枝晶臂间距与冷却速率的关系为：

在比表面积、分形维数等参数方面，Kasperovich等使用X射线重构了Al-30wt.%Cu合金在施加磁场的条件下糊状区的三维枝晶结构，发现在恒定温度梯度下，枝晶的比表面积随着磁场增加以及保温时间增加而降低。 Yang等研究了镍基高温合金定向凝固过程中的枝晶形貌，发现分形维数从1.228到1.418之间，具体则取决于凝固速度。 Genau等研究了凝固条件对Al-Si合金枝晶分形维数的影响，发现凝固条件对分形值没有显著影响。数值模拟也是研究凝固组织形貌特征参数的重要手段。许多学者利用相场法模拟枝晶生长并对其形貌展开研究。 Neumann等采用相场模拟分析了枝晶比表面积的演变，建立了考虑生长、曲率驱动粗化和界面合并影响的比表面积随时间和固相率的演化方程。 Ishida等使用相场法计算了Fe基合金枝晶的分形维数，测量了分形维数介于1.266和1.464之间。

虽然对凝固组织形貌特征参数的研究已经取得了相当大的进展，但这些研究多是基于凝固完成后的组织，对凝固过程中形貌特征参数的演变规律认识不足。为此，本研究使用多种形貌特征参数对镁合金凝固组织形貌进行精细化的定量描述，通过探明镁合金凝固过程形貌特征参数的演变规律，建立形貌特征参数与合金成分及固相率之间的内在关系，助力镁合金凝固组织的精细化控制。

合金制备与阶段淬火试验

参照常用Mg-Al系合金牌号，如AZ31、AM60和AZ91等，确定研究对象为Mg-3Al、Mg-6Al、Mg-9Al、Mg-12Al和Mg-15Al。以工业纯Al和纯Mg为原料，熔炼Mg-Al系合金。从熔炼制备的铸锭中线切割出Φ4.1 mm×40 mm的小圆柱，去除合金表面氧化皮后用于阶段淬火研究。

Mg-Al系合金凝固温度区间较宽，在炉冷条件下，因冷却速率较低，固相率增长较慢，凝固过程较容易控制，通过阶段淬火可以获取不同阶段的凝固组织。首先让合金随炉冷却，一段时间后，合金处于半固态状态；再对合金进行淬火，将试样置于冰水中。因冷却速率极高，剩余的液相会快速凝固，并且炉冷条件下形成的凝固组织在淬火过程中不受影响，这样就“冻结”了合金在半固态时的凝固组织形貌，实现了对合金凝固过程组织演变情况的准原位观察。

阶段淬火实验装置主要由加热部分和快速淬火部分组成，其装置和内部结构如图1所示。加热部分采用电阻丝加热，主体与熔炼电阻炉相似；快速淬火部分由伺服电机控制移动装置带动升降杆快速移动，以对坩埚进行快速淬火。内部结构如图1(c)所示，移动装置在伺服电机的控制下在纵向的滑轨上进行可调速移动，带动升降杆上下移动。在最快移动速度模式下，移动装置可在2s达到滑轨的限位点。升降杆的下端装有气管架和坩埚架，其中气管架用于固定连通保护气的气管，坩埚架用于固定淬火用的薄壁坩埚；气管架突出的长度大于坩埚架，避免气管因正对薄壁坩埚直吹而对凝固过程产生影响。在升降杆移动时，气管和坩埚随之移动，二者保持相对静止，保护气始终可以保护坩埚内的熔体避免氧化。下炉门为可开关设计，在对熔体加热时，下炉门为关闭状态，提高加热效率并维持炉内保护气体氛围，当需要进行淬火时，下炉门为打开状态，使得升降杆通过。如图1(d)所示，本文使用课题组内自行组装的温度采集系统采集合金凝固过程的温度变化曲线，温度采集系统主要由数据采集系统、便携式计算机及热电偶组成，共有四个接口，支持同时采集三个温度数据。将K型热电偶接口端与测温接口相连，再将热电偶测温端插入模具中即可采集熔体温度，采集频率为10 Hz，采集时间最长为150 min，数据采集系统通过USB通讯接口与计算机连接，将热电偶采集的温度数据上传至计算机并显示，即可获得合金凝固时的温度-时间曲线。

(a)实物图; (b)示意图; (c)实验装置内部结构示意图; (d)温度采集系统示意图

图1 阶段淬火实验装置及内部结构示意图

结合热力学软件Pandat计算各种成分合金在Scheil模型下的非平衡凝固曲线。根据凝固曲线获取各成分合金阶段淬火固相率及对应的温度，如表1所示。

表1 Mg-Al合金阶段淬火固相率及对应温度

形貌特征参数

本研究用到的凝固组织形貌特征参数如表2所示。

表2 表征凝固组织形貌的特征参数

表中：De为等效圆直径，A为枝晶的面积；λ2为二次枝晶臂间距，L为多个二次枝晶臂中心之间的距离，n2为测量的二次枝晶臂的个数；Ss为比表面积，P为枝晶的周长；N(r)为覆盖枝晶边缘盒子的个数，c为常数，r为盒子尺寸，Fd为分形维数。

Mg-Al系合金凝固组织

图2展示了炉冷条件下Mg-Al系合金不同固相率时的阶段淬火凝固组织。

从上往下依次是：Mg-3Al、Mg-6Al、Mg-9Al、Mg-12Al、Mg-15Al，从左向右固相率依次是：10%、20%、30%、40%、50%、60%

图2 Mg-Al系合金阶段淬火后的凝固组织

共晶组织形貌

图3展示了Mg-Al系合金固相率fs为10%、30%和60%时的共晶组织形貌。

(a1- a3) Mg-3Al; (b1-b3) Mg-6Al; (c1-c3) Mg-9Al; (d1-d3) Mg-12Al; (e1-e3) Mg-15Al

图3 Mg-Al系合金在固相率fs为10%、30%和60%时的共晶组织

凝固组织形貌特征参数演变规律

在凝固过程中，枝晶同时形核和生长，不适合用一次枝晶臂间距来描述枝晶的尺寸。为了描述凝固过程枝晶尺寸的演变情况，引入等效圆直径来刻画枝晶大小。图4展示了Mg-Al系合金凝固过程枝晶等效圆直径的变化。

图4 Mg-Al系合金凝固过程枝晶等效圆直径的变化

图5 Mg-Al系合金凝固过程枝晶二次枝晶臂间距的变化

图6展示了凝固过程枝晶比表面积的变化。

图6 Mg-Al系合金凝固过程枝晶比表面积的变化

(a) Mg-3Al                    (b) Mg-15Al

图7 Mg-Al合金中枝晶粗化较严重的部分发生的熔断现象

图8展示了凝固组织分形维数的变化。

图8 Mg-Al系合金凝固过程枝晶分形维数的变化

凝固组织形貌特征参数内在关系

为了对凝固组织形貌特征参数进行预测，通过多元非线性拟合，如算式（1）所示，构建凝固组织形貌特征参数和成分及固相率之间的定量关系。

式中：MCPij为不同的形貌特征参数（Morphological Characteristic Parameters），为广义拟合参数，C为成分，R为冷却速率，Const为常数。 C代表构建二者之间的函数关系，并非简单相乘。

基于算式（1），建立了炉冷条件下凝固过程中等效圆直径和Al含量及固相率之间的关系为：

该式拟合系数为0.80，表明该式可以较为准确地预测凝固过程中等效圆直径的变化。成分的指数大于固相率的指数，表明成分对枝晶尺寸的影响更大。

二次枝晶臂间距和Al含量及固相率的关系为：

该式拟合系数为0.95，拟合程度较高。

比表面积和Al含量及固相率的关系为：

该式拟合系数为0.91，表明该式可准确的描述凝固过程中枝晶比表面积随成分及固相率的变化。

枝晶分形维数和成分及固相率的关系为：

该式拟合系数为0.90，即该关系模型能够准确描述凝固过程中枝晶分形维数先增加后减少的现象。

以上多元非线性拟合算式的拟合精度都比较高，表明了拟合关系的准确性。通过固定成分或固相率，可以进一步获得形貌特征参数与其中某一个变量的关系。以二次枝晶臂间距为例，固定成分，可以获得每种成分下，二次枝晶臂间距与冷却速率的函数关系，如表3所示。

拟合关系表明，二次枝晶臂间距与固相率成幂函数关系，拟合系数均大于或等于0.97，说明该系列公式能够描述Mg-Al系合金二次枝晶臂间距随冷却速率的变化。从形式上看，多元模型与单元模型形式相同，只是固相率的指数有一定差异。目前关于Mg合金的二次枝晶臂间距的公式还鲜有报道，通过给出不同成分下二次枝晶臂间距和冷却速率的关系，可以作为Mg合金相关数据的补充，用来预测Mg-Al合金在不同凝固阶段的二次枝晶臂间距。

结论

（1）炉冷条件下枝晶组织较为粗大，数量较少；共晶组织由条状共晶相和分散的岛状共晶相构成。形貌特征参数的变化表明，枝晶生长过程中，形貌复杂化和粗化同时发生，在凝固前期通常是形貌复杂化占据主导作用，提高枝晶形貌复杂程度，凝固中后期粗化效果占据主导作用，枝晶形貌复杂程度降低。

（2）炉冷凝固过程中，形貌特征参数、成分和固相率满足以下关系。等效圆直径：

二次枝晶臂间距：

比表面积：

分形维数：

《Mg-Al系合金凝固组织形貌及特征参数演变规律》

作者：

张昂，刘和，覃朗，宋江凤，杨艳，蒋斌

(国家镁合金材料工程技术研究中心，高端装备铸造技术全国重点实验室，重庆大学材料科学与工程学院)

来源：《铸造》杂志202602期