｜导读｜
■ 针对传统大规格2219铸锭存在的组织粗大不均，宏观偏析及第二相粗大等问题，采用内置电磁熔体处理半连续铸造方法制备了ϕ630 mm 2219铝合金铸锭，通过光学显微镜、光谱仪、SEM等测试方法对铸锭进行了凝固组织与成分检测，研究了内置电磁熔体处理对大规格2219铸锭凝固组织细化的影响，揭示了溶质元素的分布规律。结果表明，相比普通半连续铸造，使用内置电磁熔体处理法制备的铸锭沿径向上晶粒细小，平均晶粒尺寸保持在200~300 μm之间，组织整体上分布均匀，金属间化合物尺寸明显细化，晶间第二相呈断续网格状分布，Cu 分布更均匀。
关键词：内置电磁熔体处理；2219铝合金；组织细化；大规格铸锭；第二相
■ 2219高强铝合金具备高比强度，较高的断裂韧度及抗应力腐蚀性、可焊接性能与高低温力学性能良好等特点，被广泛应用在航空航天材料领域。随着重载运载火箭的发展，燃料贮箱的规格不断增大，对大规格2219锻环件三向力学性能、组织性能的一致性和稳定性等的要求愈加严格。常规半连续铸造制备的大规格2219铸锭由于凝固温度场的不均匀造成铸锭组织粗大、不均匀性高，化学成分的宏观偏析严重，并可能伴随大量粗大的第二相、气孔、缩松等铸造缺陷的产生，最终对产品性能造成不利影响。近年来，在连铸过程中对熔体施加物理外场如电磁场、超声等来改善铸锭凝固质量，成为业内的研究热点与发展趋势。
■ 研究表明，电磁搅拌技术能够强制熔体流动，提高熔体对流传热，改变凝固温度场分布，消除局部过热，降低整个熔体的温度梯度，在调控形核、凝固行为方面起到明显的效应，使得铸锭尤其是大尺寸铸锭的组织明显细化均匀化，宏观偏析程度减轻，可以获得较高品质的锭坯。内置电磁熔体处理是一种利用电磁场对连铸过程中铸锭的凝固成形进行控制的技术方法，利用浸入熔体心部的电磁搅拌器施加电磁搅拌作用，结合内部冷却方式对熔体凝固过程进行调控，避免“集肤效应”造成的搅拌衰减影响，实现对大规格体积熔体的均匀搅拌，实现组织的细化。
■ 试验材料为2219铝合金，其化学成分见表1。
■ 图1为内置电磁熔体处理半连铸示意图。
■ 在普通半连铸和内置电磁熔体处理法制备的铸锭段分别锯切厚度约为25 mm 的圆片，沿径向各部位处切取试样，见图2。
图1 内置电磁熔体处理半连铸示意图
1.热顶 2.内置电磁熔体处理器 3.感应线圈 4.熔体 5.转接板 6.石墨环 7.冷却水 8.结晶器 9.铸锭 10.引锭板
图2 铸锭金相组织与成分检测取样位置
1 内置电磁熔体处理对铸锭组织细化的影响
■ 前期制备ϕ508 mm 2219铸锭试验结果表明，在交变电磁场下，晶粒能得到细化。当内置电磁熔体处理器的搅拌电流控制在0~20A范围内，随着搅拌电流增大，晶粒尺寸明显减小；当搅拌电流为30A及以上时，内置电磁熔体处理对铸锭晶粒仍具备十分明显的细化效果，但细化效果较搅拌电流为20 A时的已变得相当缓慢。并且随着搅拌电流增大，铸锭径向溶质元素分配也会产生严重的影响，当电流过大，熔体中的电磁场密度随之增加，进而强迫对流也更加强烈，使得心部组织产生严重的负偏析，造成铸锭宏观偏析明显严重。故而适宜的搅拌电流在20 A左右。而随着电磁场频率降低，铸锭平均晶粒尺寸减小。当频率为20 Hz时铸锭晶粒最细小，组织最均匀。但当频率保持在10 Hz时，铸锭心部组织细化效果不明显，因此在ϕ630 mm 2219 铸锭的制备中搅拌电流控制在20 A，频率则保持为20 Hz。
■ 2219铸锭组织主要由 ɑ-Al 基体和晶界处的残余低熔点Al2Cu相组成。普通半连铸方法制备的铸锭组织粗大不均匀，在心部存在形态各异的粗大树枝晶，平均晶粒尺寸为597 μm。而内置电磁熔体处理制备的铸锭组织在径向上分布比较均匀，晶粒多为等轴状与蔷薇状组织，并伴随着细小晶粒，从边部到心部组织的平均晶粒尺寸分别约为240、278、252 μm。铸锭心部细小晶粒组织占比明显增多，呈圆整等轴晶，无明显的二次枝晶臂。在内置电磁熔体处理作用下，2219铝合金铸锭的整个截面内组织具有明显的细化效果。铸态组织中非平衡相主要存在于晶界处，其中常规铸锭第二相比较粗大，呈现明显的较厚的连续分布的网格状。经过均匀化处理后第二相会变薄，但是组织粗大使得扩散效果不明显，往往在晶界处残余大量网络状第二相，造成均匀化效果不明显。经均匀化处理后的内置电磁熔体处理铸锭组织中，边部至心部组织晶间多为较小而弥散的结晶相，表现为白色花纹状，呈断续状弥散组织，晶内弥散分布着直径小于10 μm的第二相和少量针状Al7Cu2(Fe,Mn)相。这是由于铸锭中部和心部组织为晶粒大小不一的混晶组织，相较常规半连铸粗大的枝晶，溶质元素排出量少，并且由于铸锭晶粒明显细化，有利于扩散的进行，使得残余第二相明显减少。但由于工艺原因，内置电磁搅拌制备的铸锭部分位置仍残存少量较大的蔷薇状晶粒，使得均匀化处理后仍存在部分网状残余第二相。总体可见，普通铸锭晶粒尺寸呈由边部向心部递增趋势，但在内置电磁熔体处理作用下，晶粒尺寸明显减小，晶粒及第二相分布也更加均匀。
