文/大壮实验室前言随着汽车轻量化的不断推进，铝合金作为一种轻质材料，在汽车制造领域得到了广泛应用，AA6111合金以其良好的可加工性能、高强度和良好的耐腐蚀性能而备受关注
然而，为了进一步提高AA6111合金的性能，可以利用熔体调质技术，来引入适量的富铁金属，以调控合金的微观结构和相组成，从而改善合金的机械性能和力学性能
AA6111合金在汽车制造领域，具有广泛的应用前景，熔体调质技术作为一种优化合金性能的方法，可以通过添加富铁金属来改善合金的机械性能和力学性能，提高其综合性能
一、铝合金的机械性能铁是一次或二次铝合金中不可避免的杂质元素之一，其在废铝回收中存在问题，它是从铸造过程中使用的铝土矿和工具中积累的｡由于铁在铝中的溶解度较低，铁与其他杂质形成金属间相，如Al 3 Fe、α-Al 8 Fe 2 Si、β-Al 5 FeSi、δ-Al 4 FeSi 2和γ-Al 3 FeSi｡铝合金的机械性能，很大程度上受这些金属间相的形态和分布的影响，这种脆性结构导致铝合金强度和延展性的损失，而α-Al 8 Fe 2 Si相则出现多种不同的形貌｡当Mn/Fe比等于0.5时，形成体心立方α-Al 15 (Fe，Mn) 3 Si 2 ，而在其他Mn/Fe比下出现不同的结构｡这些金属间的合金形态控制，从板状到致密形状或类似汉字，可以减少它们对最终机械性能的不利影响｡人们在铸造再生铝合金方面做出了努力，以控制富铁金属间化合物的形成，并减少其对最终产品机械性能的有害影响｡研究发现，富铁相很可能，在铝合金中夹带的氧化膜上形核，并且这些氧化物通常在熔体中以簇的形式团聚｡为了将大的氧化膜和团簇，分散成非常细小且均匀分布的单个颗粒，使用了由伦敦布鲁内尔高级凝固技术中心 (BCAST)/布鲁内尔大学开发的高剪切熔体调节 (HSMC) 技术｡该技术表明，应用高剪切熔体调节，可以增强金属间相的成核并细化其尺寸，双辊铸造是一种经济的工业工艺，直接用铝合金熔体生产板材｡它可以实现快速凝固，从而提高铝合金板的力学性能，由于合金材料粘，在轧辊上的问题，对于下游热机械加工来说是不可接受的，因此这种类型的铸造仅限于加工有限数量的可锻铝合金｡在双辊铸造中，中心线偏析、宏观屈曲和表面缺陷非常常见，为了最大限度地减少，铸造再生铝合金中的这些缺陷并提高带材质量
通过在铸造前使用高剪切熔体调节来测试新技术，所开发的工艺称为熔体调节双辊铸造(MC-TRC)｡在这项新开发的技术中，使用转子-定子混合器，来施加强烈的熔体剪切，这种转子-定子型技术已经过测试，可作为脱气、晶粒细化、金属基复合材料铸造和工业铸造工艺的多用途装置｡由于其在化学和热均匀化方面的优势，HSMC技术可用于显微组织控制，特别是富铁金属间相的形貌控制｡通过分散自然存在的氧化物颗粒，并增强它们在熔体中的润湿性，它们可以在凝固过程中充当异质核｡在我们之前的研究中，我们发现，通过在 AA6111 带材铸造中应用 HSMC，消除了金属间化合物在中心线的偏析，显着改善了微观结构和带材质量｡我们研究了高剪切熔体调节，对再生 AA6111 合金微观结构的影响，以及减少铸造缺陷的可能性，例如双辊铸造再生铝合金中的中心线偏析｡所以，我们研究了 HSMC 对双辊连铸工艺，形成的回收 AA6111 带材中富铁金属间化合物的尺寸和分布的影响，此外还报告了 TRC 和 MC-TRC 加工带材的机械性能测量结果｡二、双辊铸造和金相表征在铸造成辊之前，使用具有中间包组件的高剪切熔体，调节室来处理再生铝合金，将回收 AA6111 合金的化学成分，为 Al-0.95Mg-0.88Si-0.37Fe-0.22Mn-0.91Cu-0.03Ti-0.02Zn (wt.%)
传统 TRC 和 MC-TRC 的辊缝为 2.5 mm，该辊缝的最佳操作条件，是后退量为 35 mm，辊速为 3.0 rpm｡对于 MC-TRC，在添加熔体进行连续操作之前，进料室充满 668°C 的合金熔体，将预热的转子-定子装置插入腔室的中心，并将转子速度设置为 3000 rpm｡对于传统 TRC 和 MC-TRC，在中间包尖端测得的熔体温度约为 660°C，AA6111合金带材3条｡按照金相表征的标准程序，对 TRC 和 MC-TRC 带材的纵向和横向样品，进行切片、安装、研磨和抛光｡抛光后的样品，在 Barker's 试剂中于 20 V 下阳极氧化 90 秒，以揭示晶粒结构，使用 Zeiss Axio-Vision 光学显微镜，进行微观结构分析｡使用 Zeiss Supera 35 FEG 显微镜，对样品进行扫描电子显微镜 (SEM) 检查，加速电压为 20 kV｡加工了传统 TRC 和 MC-TRC 条带的矩形拉伸样品，并且拉伸试样的尺寸，其符合ASTM B557 M-14标准｡每个拉伸样品的厚度为3.2毫米，每种铸造条件，至少使用五个样品进行拉伸测试，Instron 5500 通用机电测试系统，用于室温下的机械测试｡该系统配备了 Bluehill 软件，具有 ± 50 kN 称重传感器和 1 s -1应变率｡三、微观结构分析现有溶质元素，从条带表面到中心的偏析，落后于中心偏析带的形成，溶质向中心偏析以及内部缺陷的程度，是液态金属槽形状的指示｡V形槽意味着中心线偏析越差，而U形槽越平坦，双辊铸造条件越好，HSMC 铸造中的凝固机制，被认为是利用现有氧化物颗粒，作为基材的异质成核｡这将减少溶质向中心的偏析，并增强整个截面，等轴凝固前沿的形成，因此，凹坑深度将减小，变形区域的深度将增加｡在铸造前应用强熔体剪切，可增强氧化物颗粒和团簇，使其成为细化 α-Al 相和金属间相的有效成核位点｡在铝合金的正常铸造过程中，氧化物双膜或离散氧化物颗粒，可能会从熔体表面形成的氧化膜夹带到铸件中｡强烈的熔体剪切，使氧化物薄膜和团簇，均匀地分散在整个液态金属中，众所周知，Al-Mg合金中形成的氧化物，是尖晶石MgAl 2 O 4，其与α-Al的晶格失配约为1.4%｡对于缺乏成核颗粒的熔体，尖晶石颗粒将成为 α-Al 相的有效成核位点，这种有效的颗粒将形成细化的等轴晶粒结构，并减少中心线偏析
使用 Pandat 软件，计算了 AA6111-xFe 合金平衡时的相图，在铸造含有 0.37 wt.% Fe 的 AA6111 时，金属间相形式为 α-Al 15 (Fe， Mn) 3 Si 2、Mg 2 Si 和 β-AlFeSi｡板状 β-AlFeSi 是一种脆性相，充当应力集中源和相干薄弱点，可导致局部裂纹萌生，并降低带材的机械性能｡在含Mn的Al-Mg-Si合金中，α-Al 15 (Fe， Mn) 3 Si 2的结构金属间化合物为体心立方，在不同的Mn/Fe比例下可呈现六方、星状或树枝状晶体｡控制这种金属间化合物，从板状到致密形状或类似汉字的形态，可以减少其对最终机械性能的不利影响｡众所周知，富铁相的形成会阻塞枝晶间流动区域并产生高孔隙率产品，传统TRC和MC-TRC中心线区域，金属间相的形貌｡在中心线区域观察到通常在 TRC 过程中形成的板状 β-AlFeSi 相，并且在 MC-TRC 后已细化为更致密的形貌
四、富铁金属间化合物的尺寸和分布很明显，使用强熔体剪切，可以细化富铁相的尺寸，并有助于这些金属间相的均匀分布，铸造再生 AA6111 合金中 TRC 和 MC-TRC 基体内，金属间相的尺寸和分布｡氧化物双膜和团簇的破碎和分散，有助于细化富铁金属间化合物并改变其形态，研究发现，MgO、Al 2 O 3和MgAl 2 O 4等氧化物颗粒与TiB 2类似，在成核Fe金属间化合物时可以发生异相成核｡这改善了显微组织，并防止了大片状β-AlFeSi金属间相形态，对铸造产品机械性能的负面影响，除了中心线偏析之外，传统TRC中金属间化合物的表面偏析，这是铸造缺陷之一｡造成这种缺陷的原因，是富含溶质的液体，从糊状区域通过枝晶间区域被挤压到表面，当生产率超过铸造速度时，枝晶间区域中的富集液体
并且他们将连接在一起并形成传输路径，并且由于表面处低压区的存在，富集液体通过这些路径流向表面｡对于 MC-TRC，熔体内的溶质和热量分布是均匀的，这将消除中心线和表面偏析，无内部和表面缺陷的铸造可以提高带材质量，进而提高其机械性能｡与传统TRC相比，MC-TRC加工的AA6111带材的拉伸性能，在纵向和横向截面上都有显着的提高｡MC-TRC样品在纵向上的伸长率、屈服强度和极限抗拉强度，分别增加了18.7%、19.2%和9.8%，而在横向上，测试显示增加了32.3%、2.2%和3.8%与 TRC 相比，分别具有伸长率、屈服强度和极限拉伸强度｡合金的机械性能，主要取决于其晶粒尺寸和显微组织，在这项研究中，我们发现应用高剪切熔体，调节改善了微观结构，消除了中心线和表面偏析，最终提高了机械性能｡通常，强度的提高，伴随着延展性的降低，但随着细晶粒的均匀分布和中心线偏析等铸造缺陷的消除，强度和延展性都可以提高｡金属间相的细化降低了这些颗粒在外加应力下撕裂基体的可能性，从而保持了固有断裂应力
总之，MC-TRC 加工带材，显示出优异的极限拉伸强度和延展性，应用强熔体剪切增强了氧化物薄膜和团簇的分散，从而导致富铁金属间相的有效成核和细化颗粒的铸造｡这种细化提高了再生铝合金的铁耐受性并提高了其机械性能｡MC-TRC的拉伸试验表明，与横向相比，纵向延伸率高出13%，屈服强度和极限抗拉强度，分别降低3.1%和1.2%｡我们发现铝合金板的机械性能，是由板轧制过程中形成的各向异性微观结构控制的，双辊铸造中的铸造条件，如辊速、冷却速率和熔体温度，是形成各向异性微观结构的最有效参数｡塑性各向异性，是在铝合金板材的轧制和热处理过程中产生的，因此需要更多的工作来测试HSMC如何影响织构并改善再生AA6111合金的塑性各向异性｡五、结论熔体调质富铁金属后的AA6111合金显微组织中，观察到富铁相的细小分散颗粒，这些颗粒可以提供强化效应，使合金具有更高的强度和硬度
同时，富铁金属的加入还能改善合金的晶粒细化程度，从而提高合金的延展性和塑性，熔体调质富铁金属后的AA6111合金，具有更高的屈服强度和抗拉强度，而仍保持较好的延伸性能
研究了高剪切熔体调节，对双辊连铸工艺形成的再生 AA6111 带材，其富铁金属间相的形态和分布以及机械性能的影响｡通过微观结构分析和机械性能测量，我们发现，在双辊铸造过程中，应用强熔体剪切增强了铸造工艺，并提高了回收材料生产的带材的质量｡MC-TRC 样品的微观结构分析表明，微观结构精细，富铁金属间化合物的表面和中心线偏析较少，这一改进可以提高回收材料对杂质的耐受性｡传统 TRC 中出现的板状 β-AlFeSi ，在施加强烈的熔体剪切后，被细化为更致密的形貌，使用强熔体剪切可以细化富铁相的尺寸，并有助于这些金属间相在基体中的均匀分布｡我们观察到 MC-TRC 的纵向和横向截面的拉伸性能，显着增加，与传统 TRC 相比，铸态 MC-TRC 样品在纵向上的伸长率、屈服强度和极限抗拉强度分别高出 18.7%、19.2% 和 9.8%
但是MC-TRC 在横向上，测试结果为 32.3% ，伸长率、屈服强度和极限抗拉强度分别提高 2.2% 和 3.8%｡在探究富铁金属，对AA6111合金进行熔体调质之后，我们得出合金的机械性能和力学性能在熔体调质后，会受到影响