作者：廖启宇，*乐启炽，赵大志，宝磊，王彤，贾永辉
引用格式：Liao Q Y, Le Q C, Zhao D Z, et al. Research progress on semi-continuous casting of magnesium alloys under external field. China Foundry, 2024, 21(5): 516-524. https://doi.org/10.1007/s41230-024-4059-9
研 究 背 景
高性能镁合金变形材是实现航空航天、交通运输等轻量化的重要结构材料，其应用呈现大型化、整体化趋势，其制备关键基础是铸造高质量变形用锭坯。与铸造镁合金相比，变形镁合金具有更好的力学性能和更广泛的应用前景，近年来其研究和应用受到广泛关注。作为材料形变的重要前提，铸造锭坯冶金质量的优劣直接影响材料形变行为以及使役性能。传统半连铸工艺制备的镁合金锭坯存在晶粒粗大、组织不均、偏析、氧化夹杂严重等问题，施加外场（电磁场、超声场、组合外场）可有效改变凝固行为并显著改善凝固过程的流场与温度场，从而有效调控糊状区和液穴形状，达到细化凝固组织、抑制偏析、降低裂纹趋势、改善锭坯表面质量等效果。
内 容 摘 要
半连续铸造是镁合金锭坯最主要的制备方式。然而，传统半连铸铸造工艺所制备的镁合金锭坯存在难以避免的铸造缺陷，且对于高合金化、大尺寸铸锭较难高质量制备。将电磁、超声等物理场与传统半连续铸造工艺相结合而开发出的外场辅助控制凝固技术，可制备组织均匀、无裂纹的高质量镁合金锭坯，对镁合金的发展及应用具有重要意义。本文主要综述了外场辅助镁合金半连续铸造工艺的技术原理，包括电磁场、超声场以及电磁+超声组合物理场。重点阐述了不同类型的电磁场、超声场以及电磁+超声组合物理场在镁合金凝固中的细化机制。最后，对外场下半连续铸造制备高质量镁合金铸锭的发展进行了展望。
研究方法和结果
（1） 镁合金半连续铸造过程传热行为研究
图1为镁合金半连续铸造工艺示意图，由于镁合金低热容、低熔化热和低导热能力的特性，使其在凝固过程中散热困难，导致镁合金半连铸过程中初始凝固速度较快，整体凝固区间较宽，且热梯度较大，更容易产生偏析、开裂和其他铸造缺陷。镁合金凝固过程中主要有3个不同特征的区域，即液相区、过渡区和固相区，过渡区也可称糊状区。
镁合金半连铸过程中的热传输主要包括结晶器壁面与熔体及其形成的初始坯壳、气隙之间的热交换（一冷）和铸坯离开结晶器后与冷却水之间的热交换（二冷），如图2所示。对于扁锭铸造，由于结晶器角部区域是二维传热，凝壳形成最快，最早收缩，气隙首先形成导致传热减慢，推迟了凝固。随着凝壳的下移，气隙从角部扩展到中心，由于熔体静压力的作用，中心部位气隙比角部要小，导致角部凝壳最薄，这种凝壳厚度的不均匀性往往是产生裂纹和拉漏的主要原因。上述过程不断反复，直到凝壳离开结晶器。一冷的传热过程非常复杂且至关重要，直接决定了铸造是否可以顺利进行。尽管半连铸坯料表面缺陷主要受熔体在结晶器阶段的凝固过程影响，但当二次冷却不理想时，凝壳离开结晶器后这些缺陷会继续扩展，铸坯离开结晶器后二次冷却阶段的传热包含四种状态：高温下的稳定膜沸腾、不稳定膜沸腾、核沸腾和对流换热。
图1 镁合金半连续铸造工艺示意图
图2 镁合金半连续铸造冷却传热示意图
（2）电磁场在镁合金半连续铸造中的应用
不同的电磁场技术均可实现减轻宏观偏析，获得组织均匀、晶粒细小的铸锭的效果。相对于传统半连续直冷铸造，电磁铸造获得的铸锭质量高、表面光滑、致密度高。我们团队通过20余年的研究对电磁场的类型及作用方式进行了不断的更新与迭代。低频电磁铸造的磁场渗透能力强，液面扰动大，熔体搅拌效果好，对晶粒细化有显著效果，同时也能够提高铸坯的抗裂纹能力；低频电磁振荡铸造技术加速熔体流动的能力更强，晶粒细化更明显。然而，当铸锭规格过大时，由于磁场趋肤效应，传统电磁场的电磁力驱动熔体对流与振荡难以深入液穴中心，电磁搅拌作用会相应减弱，热流传输与凝固过程调控有限。差相磁场其作用深度较传统电磁场更大，在大尺寸锭坯铸造组织细化和抑制柱状晶方面表现出巨大潜力。施加差相脉冲/低频磁场均可有效降低中熔体温度和液穴深度，使结晶器内金属熔体可同时获得较大的速度振荡和较低且均匀的温度分布。
图3 施加不同电磁场制备的AZ31镁合金圆锭晶粒组织
（3）超声场在镁合金半连续铸造中的应用
功率超声施加在镁合金熔体中，可以促进除气、细化铸态组织等。超声场能够细化金属的凝固组织是因为超声波导入熔体后所产生的空化效应、声流效应能改变熔体的凝固行为。我们研究团队利用不同强度超声处理AZ80镁合金熔体，发现合金的平均晶粒尺寸由303 μm最多减小到148 μm，对凝固过程中形成的金属间化合物尺寸、连续性、球度和分布业有显著影响，超声功率的增加使晶粒和第二相更小、更圆润、分布更好。随着研究进行，我们发现传统单频超声在金属熔体中存在谐振困难和声衰减严重等问题，在此基础上，开发了双频超声组合施加的方式，发现双频超声处理后的铸态组织明显更为细化，这是由于双频超声减弱了声衰减，进而扩大了潜在空化面积，提高了晶粒细化效率，如图4和5所示。
图4 不同超声场形式对流场 (a)，速度场(b)，温场(c)的影响
图5 AZ80镁合金铸锭从中心到边缘的显微组织：(a)-(c) 未施加外场，(d)-(f) 施加超声场，(g) 晶粒尺寸
（4）电磁+超声组合场在镁合金半连续铸造中的应用
由于电磁场和超声场对于镁合金半连续铸造细化作用，将两种外场同时施加在镁合金熔体中，可以实现更好的细化作用。我们研究团队对传统的固定频率超声场、低频电磁场、变频超声场和超声+电磁组合场对AZ80镁合金铸态组织，发现几种外加场对AZ80镁合金的铸态组织均有细化效果，其中超声+电磁组合场的细化效果最好，Φ255 mm坯料的晶粒尺寸由未经处理时的679-1454 μm细化为116-141 μm，晶粒的均匀性也得到了显著的改善。
图6 电磁和超声组合外场下镁合金半连续铸造示意图
（5）展望
加强对镁合金外场成型技术的基础研究，对物理场细化组织的机制仍有必要进行更深入的研究与探讨，尤其是磁场/超声类型对不同凝固特性镁合金的影响机制。在明确细化机制的基础上开发新型复合场铸造工艺与装备，深度发展多物理场数值模拟技术，将复合场铸造成型与多物理场数值模拟相结合，以获得更合理的工艺参数和铸造方法。
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乐启炽教授课题组
东北大学EPM实验室镁合金研究团队（负责人乐启炽教授），主要从事镁合金凝固与铸造、镁合金塑性变形、新型变形镁合金、镁电池材料、金属材料氧化热力学与动力学、镁合金金属基复合材料、金属材料热镀等方面的研究。近年来在国家科技部和自然科学基金委各层面项目支持下，在镁合金外场凝固与半连续铸造、镁合金板材/卷轧制、高挤压塑性镁合金开发、镁合金电化学行为与应用等领域取得一系列具有自主知识产权的重要研究成果，并在技术成果产业化应用和校企合作研究中稳步推进，促进了行业技术进步与效益提升。团队现有固定研究人员7名，其中6名具有博士学位，5名具有高级职称，在读博士与硕士研究生40余名。研究团队学风严谨，脚踏实地，精诚协作，研究特色鲜明，在研究道路上孜孜以求，成果显著。
通信作者简介
乐启炽
东北大学教授/博导
乐启炽，东北大学教授/博导，教育部重点实验室副主任，辽宁省电磁冶金工程实验室主任，辽宁省镁合金工程技术中心主任。中国机械工程学会高级会员和铸造分会常委，中国铸造有色合金标委会委员，中国材料研究学会镁合金分会常务理事，中国有色金属学会材料科学与工程学委会委员，《铸造》、《特种铸造及有色合金》和《兵器材料科学与工程》编委会委员等。主要从事镁合金及其成形领域相关研究。主持完成国家“863”计划、国家“973”计划、国家科技支撑计划、国家重点研发计划以及国家自然科学基金等课题10余项，研究成果广泛应用于国内各相关企业。镁合金电磁铸造技术在全行业得到推广应用。主编教材1部，合作专著4部，授权发明专利90余项。发表学术论文450余篇，其中SCI收录300余篇，JCR一区120余篇，获国家科技进步二等奖1项，省部级科技发明一等奖2项、二等奖1项，市科技二等奖1项。
第一作者简介
廖启宇
东北大学材料科学与工程学院青年教师，硕士生导师
廖启宇，东北大学材料科学与工程学院青年教师，硕士生导师，《China Foundry》杂志青年编委。主要从事高性能镁合金开发、镁合金塑性变形工艺及理论、镁合金凝固控制及铸造工艺开发等方面的研究。共发表SCI论文60余篇，一作/通讯16篇，其中JCR一区12篇。授权专利10余项。主持国家自然科学青年基金、辽宁省面上联合基金等项目5项。获省部级科技发明一等奖2项。
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