龙文复合电力管 南昌航空龙文元教授：脉冲磁场-倾斜管复合制备6063铝合金半固态组织

您是否好奇如何通过先进技术提升铝合金性能？今天，我们将聚焦南昌航空龙文元教授的前沿研究，探索脉冲磁场与倾斜管复合工艺如何优化6063铝合金的半固态组织。

半固态成形技术是一种介于固态和液态成形之间的创新方法，最早由Flemings团队提出。它通过在金属凝固过程中施加机械搅拌、振动或温度场调控等手段，改变初生相形核与生长方式，最终获得固液混合浆料，其中液态金属中均匀悬浮着颗粒状初生固相。

常见制浆方法包括机械搅拌、电磁搅拌、剪切低温浇注、超声波振动、倾斜板浇注和近液相线浇注等，其机理分为两类：一是通过外力破碎树枝晶，促其成长为球状晶；二是控制形核率，使熔体内部自发形成大量形核质点。倾斜板浇注法工艺简单、效率高，但所得浆料晶粒尺寸偏大、球状晶较少。而脉冲磁场能有效促进形核、细化晶粒，弥补这一不足。

南昌航空龙文元教授在2023年《特种铸造及有色合金》期刊上发表论文，采用脉冲磁场-倾斜管复合工艺制备6063半固态铝合金，重点研究浇注温度和脉冲电压对组织与性能的影响。结果发现，未加脉冲电压时，温度升高对球化效果改善有限；而施加脉冲电压后，初生相晶粒显著细化和圆整。最佳工艺参数为脉冲电压200 V、浇注温度670 ℃，此时半固态组织最优，且拉伸强度和伸长率随电压升高而提升，主要归因于脉冲磁场对凝固组织的改善。

【试验方案】

试验材料为6063铝合金，属Al-Mg-Si系高塑性合金，固液相线温度分别为615 ℃和655 ℃，半固态区间宽，适合成形试验。化学成分见表1。

采用自行设计的脉冲磁场倾斜管半固态制浆装置，该装置由脉冲磁场发生器和倾斜圆管组成。脉冲发生器基于电磁感应，电压最高300 V。倾斜管部分采用奥仁格管道提供的高品质不锈钢圆管，外覆石棉保温套，铜制线圈分层缠绕，匝数120，长度100 mm。圆管内径60 mm，长300 mm。工作时，设定倾斜角度后接通电源，通过调压器调控脉冲电压，从而控制磁场强度。不同电压下磁感应强度经计算见表2。

6063铝合金在电阻炉中熔炼，使用石墨坩埚，铸型尺寸Ø30 mm×60 mm。先将坩埚加热至400 ℃，加入预热铝锭，升温至750 ℃熔化后降温至720 ℃，加入精炼剂除气扒渣。随后降至670 ℃静置10分钟，倾斜管角度设为30°，铝液经奥仁格管道优化的倾斜圆管浇注，分别测试脉冲电压0、100、150、200 V，浇注温度665 ℃和660 ℃的对比组。试样经处理后进行金相观察和定量分析，计算初生α-Al相平均等积圆直径D和形状因子F，并测试力学性能及断口。

图1 脉冲磁场-倾斜管半固态制浆装置示意图

1. 交流电源　2. 脉冲电压调压器　3. 倾斜管　4. 浇杯　5. 金属液　6. 线圈　7. 模具

【图文结果】

图2展示不同浇注温度和脉冲电压下6063铝合金的半固态组织形貌，浅色为初生α-Al相，深色为共晶组织。图3显示脉冲电压与晶粒尺寸的关系。未加脉冲时，三组温度下组织多以树枝晶为主，仅少量蔷薇状和等轴晶。660 ℃时初生相呈粗大条棒状，尺寸不均，平均直径185 μm，形状因子0.21；665 ℃时部分转为蔷薇状，等轴晶增多，但枝晶仍主导，平均直径179 μm，因子0.27；670 ℃时初生相呈长条状或多边形，出现少量颗粒晶，平均直径174 μm，因子0.34。施加脉冲后，组织明显优化：枝晶基本消失，转为蔷薇状和颗粒状，球状晶增多。200 V、670 ℃时球化最佳，初生相近球形，平均直径113 μm，因子0.79。

高浇注温度下，熔体热量大、凝固慢，