現(xiàn)代鋁合金材料正朝著高綜合性能、低密度、大規(guī)格、高均勻性和材料/結(jié)構(gòu)一體化方向發(fā)展，為航空航天、交通運(yùn)輸和高端裝備的高性能制造提供支撐。高綜合性能鋁合金是高強(qiáng)鋁合金材料科學(xué)與工程研究的熱點(diǎn)。如上所述，新型高強(qiáng)鋁合金的研發(fā)及現(xiàn)有材料性能的提升都與鋁合金成分的創(chuàng)新相關(guān)。但是，當(dāng)成分確定后，實(shí)現(xiàn)高綜合性能的特征微結(jié)構(gòu)需經(jīng)過復(fù)雜的制備工藝流程才能最終獲得，其間冶金遺傳效應(yīng)顯著，各個(gè)制備環(huán)節(jié)均會影響微結(jié)構(gòu)的形成和演變，從而最終決定材料的綜合性能及其均勻性。如圖6所示，高強(qiáng)鋁合金材料的重要特征微結(jié)構(gòu)可概括為：在Al基體上彌散分布著凝固形成的微米結(jié)晶相，高溫沉淀析出的亞微米或納米彌散相，時(shí)效析出的納米亞穩(wěn)相。基體組織可概括為：固溶體，晶粒，亞晶粒，晶界/亞晶界，胞狀結(jié)構(gòu)，織構(gòu)，無沉淀析出帶，空位與位錯(cuò)等。多尺度的第二相和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的基體決定了鋁合金的性能。值得注意的是，除第二相、晶粒等組織結(jié)構(gòu)外，鋁合金材料織構(gòu)也是研究人員關(guān)注的因素。

高強(qiáng)鋁合金材料的工藝?微結(jié)構(gòu)?性能關(guān)系

大規(guī)格高強(qiáng)鋁合金材料制備面臨多種挑戰(zhàn)，需要發(fā)展系列制備技術(shù)，以達(dá)到組織細(xì)化、均勻化、亞穩(wěn)化以及高綜合性能化的目標(biāo)。近幾年，重點(diǎn)發(fā)展了大錠坯的高潔凈化熔煉與均質(zhì)鑄造、大規(guī)格材料的均勻強(qiáng)流變加工和均勻組織的熱處理精細(xì)調(diào)控技術(shù)。此外，為了減少或避免在制造過程中產(chǎn)生性能損失，發(fā)展材料/構(gòu)件一體化成形/成性多種制備加工技術(shù)，使材料制備與構(gòu)件制造兩者融合，已成為一種發(fā)展趨勢。

合金組織的非均勻性短板效應(yīng)是大規(guī)格/厚截面材料設(shè)計(jì)與制備的難點(diǎn)和關(guān)鍵。凝固、加工、熱處理中流場、溫度場、應(yīng)力場的不均勻作用，往往會造成大規(guī)格鑄錠成分的宏觀不均勻性及非平衡結(jié)晶相和雜質(zhì)相等組織的細(xì)觀不均勻性、厚截面材料形變與再結(jié)晶組織的宏/細(xì)觀不均勻性，以及熱處理組織與殘余應(yīng)力的宏/細(xì)觀不均勻性。為研究合金成分與組織引發(fā)的材料本征特性和制備環(huán)境引發(fā)的多場分布不均勻兩方面作用規(guī)律與機(jī)理，近些年來，研發(fā)了宏/細(xì)觀組織均勻化的熔鑄、塑性加工、熱處理等關(guān)鍵制備技術(shù)。

（一） 高強(qiáng)鋁合金熔體潔凈化處理

大規(guī)格/厚截面高性能鋁合金材料首先需要能穩(wěn)定地生產(chǎn)出高品質(zhì)大鑄錠。高強(qiáng)度鋁合金由于合金化程度高，結(jié)晶范圍寬，氧化、吸氣嚴(yán)重，易含氣夾雜，成分宏/微分布均勻性難以控制，并且鑄造時(shí)極易開裂，成品率低。寬型厚截面、大扁錠及大直徑高合金化均質(zhì)無裂紋鑄錠的熔煉、鑄造技術(shù)一直是世界鋁加工界的熱點(diǎn)。

鋁合金高質(zhì)量鑄錠的雜質(zhì)與氫含量越少、潔凈度越高越好，不同用途的鋁合金材料，對鑄錠中氣體和雜質(zhì)含量都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

在高強(qiáng)鋁合金的凝固理論涉及熔體的凝固規(guī)律，鑄錠的顯微組織、表面特性、應(yīng)力應(yīng)變分布和變形規(guī)律等。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了多種鋁合金熔體高潔凈化、晶粒細(xì)化、表面亮化的熔鑄技術(shù)，如氣渣雜在線級聯(lián)去除、電磁和/或超聲外場調(diào)控鑄造、油氣潤滑鑄造、微震鑄造、矮結(jié)晶器鑄造等技術(shù)。

高強(qiáng)鋁合金的冶金缺陷來源于熔體中的氣體與非金屬夾雜物。由于表層張力、物理和/或化學(xué)吸附作用，氣體與夾雜物更容易聚積，因此，除氣裝置往往也具有除夾雜物的功能，當(dāng)然，去除夾雜物的同時(shí)，也有降低氣體含量的作用?，F(xiàn)代鋁熔體凈化裝置的功能雖然相同，但其原理并不完全相同。因此，工程實(shí)際中，可以在生產(chǎn)線上設(shè)置相同功能、不同類型的多套裝置，視高強(qiáng)鋁合金的具體用途，有選擇性地啟動(dòng)在線凈化裝置，從而保證熔體的潔凈化程度與質(zhì)量穩(wěn)定性。

鋁合金熔體從熔煉爐(或靜置爐)出來后，經(jīng)過一個(gè)容器，該容器中裝有一個(gè)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子可通入氣體，并將氣體分成多股甩出進(jìn)入熔體中，甩入熔體的氣體被切割成氣泡，氣泡溢出的過程中，能將熔體中的氣體與夾雜物吸附過來，并帶到熔體表面，從而實(shí)現(xiàn)除氣、除渣。轉(zhuǎn)子材料既要耐鋁合金熔體高溫沖蝕、又不能與鋁合金熔體發(fā)生反應(yīng)。

依據(jù)上述原理，開發(fā)出了多種鋁合金氣體噴射凈化裝置，如SNIF、MINT、AlPUR、LARS等等，這些裝置大多對其具有創(chuàng)新特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)申請了zhuanli進(jìn)行保護(hù)。ALMEX推出的LARS在線凈化系統(tǒng)，相對于其它氣體噴射原理的裝置，集成了多項(xiàng)配套技術(shù)，主要體現(xiàn)在氣體預(yù)加熱，熔池為下窄上寬敞開式、多邊形、雙熔池級聯(lián)，具有很好的除氣、除渣綜合效果。

采用帶孔的泡沫陶瓷板過濾鋁合金熔體，去除非金屬夾雜物很早就在工程上獲得了應(yīng)用。隨著對鋁合金中非金屬夾雜物含量的限制越來越苛刻，隨后又研發(fā)出了多種級聯(lián)的陶瓷過濾裝置，已應(yīng)用于多種高潔度要求的鋁合金材料研制與生產(chǎn)。

使鋁合金熔體流經(jīng)帶孔陶瓷顆粒體，相較于多級泡沫陶瓷板過濾，可以取得更好的過濾效果。陶瓷顆粒過濾的優(yōu)點(diǎn)主要體在：在相同的過濾體體積內(nèi)，熔體與過濾體的接觸面積更大；從上到下鋪設(shè)不同直徑的顆粒構(gòu)成過濾體，過濾體內(nèi)部可形成變化截面的細(xì)長孔道，熔體從一個(gè)截面流到另一個(gè)截面時(shí)，會產(chǎn)生低壓渦流，從而提高過濾效益。此外，帶孔的陶瓷顆料對夾雜物也具有吸附作用。因此，陶瓷顆粒過濾可以去除的夾雜物尺寸范圍要大于陶瓷板過濾。

上述過濾方法在原理上都存在一個(gè)問題：無法準(zhǔn)確地知道陶瓷中吸附的夾雜物何時(shí)會達(dá)到飽和狀態(tài)而產(chǎn)生“崩塌”，突然向鋁合金熔體中釋放出大量夾雜物。為此，又發(fā)展出了將帶孔陶瓷管過濾方法。熔體首先流進(jìn)具有過濾功能的陶瓷管內(nèi)，在重力作用下，潔凈的熔體從管內(nèi)部向管外滲出，從而將夾雜物限制在陶瓷管內(nèi)，流向結(jié)晶器方向的始終是潔凈的熔體。陶瓷管因吸附的夾雜物達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)流出過濾裝置的流量會減少，很容易被儀器監(jiān)測到。

 （二）  大規(guī)格鑄錠的多場調(diào)控

根據(jù)航空航天、交通運(yùn)輸領(lǐng)域應(yīng)用的高強(qiáng)鋁合金材料的幾何形狀與規(guī)格尺寸，半連續(xù)鑄錠(DC)方式是工業(yè)生產(chǎn)高強(qiáng)鋁合金材料技術(shù)方案。為滿足高強(qiáng)鋁合金大規(guī)格材料制備加工的要求，大規(guī)格鑄錠是關(guān)鍵。

高強(qiáng)鋁合金DC鑄錠多采用矮結(jié)晶器。從降低結(jié)晶器高度這一基本特征出發(fā)，已經(jīng)研發(fā)出了多種高強(qiáng)鋁合金鑄錠技術(shù)。下面簡要介紹工程上應(yīng)用較多的熱頂鑄錠與油氣潤滑鑄錠，以及在較小規(guī)格高強(qiáng)鋁合金鑄錠中獲得應(yīng)用、目前還在進(jìn)一步完善的大規(guī)格鑄錠多外場(電磁、超聲場等)調(diào)控鑄錠技術(shù)。

熱頂鑄造就是在DC鑄錠結(jié)構(gòu)的起冷卻作用的結(jié)晶器上安裝了一個(gè)起保溫作用的熱頂帽，在熱頂帽的上部或側(cè)面開一個(gè)缺口，使其與分流盤相連接，取消了漏斗，實(shí)現(xiàn)橫向供流；熱頂內(nèi)的金屬液面和流盤內(nèi)的金屬液面保持在同一水平，保持一定的恒定鋁液靜壓力，同時(shí)降低熔體在結(jié)晶器中的凝固位置，從而實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的矮結(jié)晶器鑄造和同水平鑄造。

如圖7所示，熱頂鑄造結(jié)晶器由一個(gè)隔熱的熱頂部分(見圖7中的裝置2)和一個(gè)未隔熱的冷卻部分(即有效結(jié)晶部分)組成。熱頂部分的作用是使熔體保溫，并使鑄錠上部熔體始終保持在同水平。結(jié)晶器冷卻部分高度小，通常只有20~50 mm，其作用是使鑄錠成形。鑄錠冷卻速度提高，液穴變淺、過渡帶變窄，因而鑄錠致密性提高，化學(xué)成分沿鑄錠截面分布更為均勻，具有良好的組織均勻性。

熱頂油汽潤滑結(jié)晶器示意圖

熱頂鑄錠時(shí)，由于結(jié)晶器冷卻部分高度小，二次冷卻水的逆流冷卻作用較強(qiáng)，有效地防止了凝殼的二次重熔，從而抑制了偏析瘤的生成，同時(shí)在鑄造過程中，有效地防止了金屬液面處的過早冷卻，使兩相區(qū)變得相對穩(wěn)定，能有效抑制冷隔，使得鑄錠周邊層逆偏析程度和深度大為降低。但熱頂鑄錠對結(jié)晶器設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)控制精度要求更嚴(yán)格。

氣滑鑄錠是一種將連續(xù)鑄錠過程中凝固層與結(jié)晶器界面由滑動(dòng)接觸改為油氣混合潤滑狀態(tài)的鑄錠方法。如圖7所示，高強(qiáng)鋁合金的氣滑鑄錠往往與熱頂鑄錠技術(shù)聯(lián)合使用。其原理是：在澆注過程中壓縮空氣和潤滑油透過結(jié)晶器上的石墨環(huán)，在石墨環(huán)內(nèi)壁形成油氣膜，金屬液在油氣膜約束下外部凝固成殼移出結(jié)晶器，噴水進(jìn)行二次冷卻形成鑄錠。由于在石墨環(huán)和金屬液之間存在油氣膜，可以顯著降低一次冷卻，減小凝殼厚度和液穴深度，避免低熔點(diǎn)偏析、冷隔，進(jìn)而獲得均勻細(xì)小的鑄錠組織和良好的表面質(zhì)量。油氣膜可以降低結(jié)晶器與鑄錠之間的摩擦力，同時(shí)由于液穴深度減小，可以減小結(jié)晶器的有效結(jié)晶高度，因此生產(chǎn)效率高，鑄造速度快，比普通熱頂鑄造速度提高了25%。

結(jié)晶器的熱頂環(huán)與石墨環(huán)緊密配合，防止粘鋁，引起鑄鑄錠表面出現(xiàn)拉痕。石墨環(huán)與結(jié)晶器為過盈配合，采用熱裝工藝裝配，石墨環(huán)外壁上邊沿和下邊沿涂抹高溫漆，以保證密封，防止空氣和潤滑油外漏?？諝馔ㄟ^相應(yīng)通道進(jìn)入空氣槽，在一定的壓力下透過石墨環(huán)，潤滑油通過相應(yīng)通道進(jìn)入潤滑油槽，在大約比空氣壓力高10倍的壓力下透過石墨環(huán)。空氣和潤滑油透過石墨環(huán)后，能在石墨環(huán)內(nèi)壁形成油氣膜，使鋁液和結(jié)晶器不直接接觸，因此形成均勻的油氣膜晶是該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在鋁液下降過程中，可設(shè)計(jì)成雙排冷卻噴水結(jié)構(gòu)，增大冷卻水的噴射角和噴射速度，從而消除冷卻水噴濺，提高冷卻效率，減少冷卻水用量。

從上述高強(qiáng)鋁合金DC鑄錠過程中兩相區(qū)形成的基本規(guī)律可以看出，僅僅是通過結(jié)晶器的改進(jìn)、優(yōu)化，對兩相區(qū)的影響是有限的。通過在結(jié)晶器外圈引入電磁場(見圖8)、在結(jié)晶前沿和/或熔體中引入超聲場，以及同時(shí)引入電磁場、超聲場等復(fù)合外場，對凝固層的質(zhì)量場、動(dòng)量場及溫度場施加影響，可以進(jìn)一步增強(qiáng)對兩相區(qū)尺寸、過渡區(qū)、液穴深度、內(nèi)應(yīng)力等凝固層特征參數(shù)，甚至結(jié)晶前沿的晶核特性進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，有望制備出規(guī)格尺寸更大、品質(zhì)更優(yōu)的鋁合金鑄錠。

圖 電磁結(jié)晶器示意圖

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