电磁振荡场作用下双辊铸轧制备2099Al-Li合金的偏析行为及组织性能

doi:10.11900/0412.1961.2019.00447

电磁振荡场作用下双辊铸轧制备2099Al-Li合金的偏析行为及组织性能

李师居¹^,², 李洋¹^,², 陈建强¹, 李中豪¹, 许光明^,¹^,², 李勇¹, 王昭东¹, 王国栋¹

1.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室沈阳 110819

2.东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室沈阳 110819

Segregation Behavior, Microstructure and Properties of 2099Al-Li Alloy Produced by Twin-Roll Casting Underthe Action of Electromagnetic Oscillation Field

LI Shiju¹^,², LI Yang¹^,², CHEN Jianqiang¹, LI Zhonghao¹, XU Guangming^,¹^,², LI Yong¹, WANG Zhaodong¹, WANG Guodong¹

1.State Key Laboratory of Rolling and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China

2.Key Laboratory of Electromagnetic Processing of Materials, Ministry of Education, Northeastern University, Shenyang 110819, China

通讯作者: 许光明，xu-gm@epm.neu.edu.cn，主要从事轻合金铸轧的研究

责任编辑: 李海兰

收稿日期: 2019-12-14 修回日期: 2020-02-22 网络出版日期: 2020-05-25

基金资助:

国家自然科学基金项目. 51790485

Corresponding authors: XU Guangming, professor, Tel: (024)83681758, E-mail:xu-gm@epm.neu.edu.cn

Received: 2019-12-14 Revised: 2020-02-22 Online: 2020-05-25

Fund supported:

National Natural Science Foundation of China. 51790485

作者简介 About authors

李师居，男，1993年生，博士生

摘要

采用OM、SEM、EMPA、DSC、电导率和常温拉伸性能测试等手段，分别对传统双辊铸轧及电磁双辊铸轧2种工艺条件下制备的2099Al-Li合金的微观组织及性能进行了深入研究，分析了双辊铸轧过程中的偏析产生机理及电磁振荡场的作用机制。结果表明：双辊铸轧工艺将连续铸造和轧制变形结合为一道工序，解决了传统铸造方法制备Al-Li合金因Li元素的加入而导致的严重缩孔等问题，但在铸轧板材中心存在宽度接近1 mm的宏观偏析带。在铸轧过程中施加电磁振荡场后，偏析带基本消除；二次枝晶臂间距缩减至6.90 μm；Cu、Zn、Mg元素的偏析度分别降低至2.45、0.93、1.05；合金中的非平衡共晶相含量显著降低。相较于双辊铸轧工艺，电磁双辊铸轧制备的2099Al-Li合金板材的抗拉强度、屈服强度、延伸率分别提升了34 MPa、18 MPa、2.8%，合金的力学性能得到大幅改善。

关键词： 2099Al-Li合金 ; 双辊铸轧 ; 电磁振荡场 ; 偏析 ; 性能

Abstract

Al-Li alloy has been widely applied in the fields of aircraft, aerospace and military applications due to its superior comprehensive properties. Al-Li alloy prepared by traditional casting process will have shrinkage porosities and gas holes defects due to the gas absorption of lithium element. Twin-roll casting (TRC) process combines continuous casting and rolling deformation into one process. The melt subjected to a certain rolling force during cooling and solidifying, compensates for the solidification shrinkage of liquid metal in the roll-casting region, hence solving the problems of porosity and other defects in Al-Li alloy. However, due to the wide solidification range of 2099Al-Li alloy, the central macro-segregation inevitably occurs in the sheets produced by TRC, which seriously deteriorates the mechanical properties of the sheets. How to eliminate segregation in aluminum alloys strips by adjusting the rolling parameters has been studied for decades. But the effect was not obvious and new approaches are required to solve this challenge. Introducing electromagnetic oscillation field in TRC process may be an effective way to solve the central segregation in TRC sheets. In this work, the OM, SEM, EMPA, DSC, conductivity and tensile test are employed to study the microstructure and properties of 2099Al-Li alloy prepared by TRC and electromagnetic TRC, respectively. The Lorentz force generated in the roll-casting region by applying electromagnetic oscillation field during TRC, which can break the dendrite and refine the solidification structure of the alloy. The central segregation band of the TRC sheet basically eliminated, and the segregation degree of Cu, Zn and Mg elements reduced to 2.45, 0.93 and 1.05. The macro-segregation and micro-segregation of sheets were effectively reduced. At the same time, the electromagnetic oscillation field can enhance the mixing ability of solute atoms, reduce the content of non-equilibrium eutectic phase and improve the supersaturated solid solubility of matrix. Compared with TRC sheet, the tensile strength, yield strength and elongation of 2099Al-Li alloy sheet prepared by ETRC increased by 34 MPa, 18 MPa and 2.8% respectively, hence the mechanical properties of the alloy sheet were greatly improved. This research work provides a new idea for the efficient preparation of Al-Li alloy with energy-saving, high-efficiency and green environmental protection.

Keywords： 2099Al-Li alloy ; twin-roll casting ; electromagnetic oscillation field ; segregation ; property

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本文引用格式

李师居, 李洋, 陈建强, 李中豪, 许光明, 李勇, 王昭东, 王国栋. 电磁振荡场作用下双辊铸轧制备2099Al-Li合金的偏析行为及组织性能. 金属学报[J], 2020, 56(6): 831-839 DOI:10.11900/0412.1961.2019.00447

LI Shiju, LI Yang, CHEN Jianqiang, LI Zhonghao, XU Guangming, LI Yong, WANG Zhaodong, WANG Guodong. Segregation Behavior, Microstructure and Properties of 2099Al-Li Alloy Produced by Twin-Roll Casting Underthe Action of Electromagnetic Oscillation Field. Acta Metallurgica Sinica[J], 2020, 56(6): 831-839 DOI:10.11900/0412.1961.2019.00447

与传统铝合金相比，Al-Li合金的低密度、高弹性模量、高比强度和高比刚度等优势使其在航空航天及军事等领域获得了广泛应用^[1,2,3,4,5]。作为第三代Al-Li合金中最具发展潜力的合金之一，2099Al-Li合金拥有低密度、高强度的同时，还兼具较优异的断裂韧性、可焊性、耐腐蚀性能，以及良好的损伤容限性^[6,7]。2099Al-Li合金的挤压件、板材和锻件可以代替7xxx系、6xxx系和2xxx系等传统铝合金在动态和静态加载的机身结构及飞机下翼桁条的应用^[8]。2099-T83挤压件已取代7050-T7451用于空客A380客机中的内部机身结构^[9]。

采用传统的半连续铸造-热轧工艺制备铝合金板材，首先需要将原料熔炼后生产大体积扁锭，然后对其进行锯切，并铣削铸锭表面缺陷，经长时间均匀化处理后在热轧机上通过多道次轧制及后续的冷轧、精化后获得需要的合格板材，该方法存在工艺流程长、生产线复杂、能耗高等缺点^[10]。

双辊铸轧工艺作为一种短流程、近终成形的板材制备方法，将连续铸造和轧制变形结合为一道工序，在一对轧辊中完成浇铸、冷却、结晶、凝固、轧制和出坯这一系列的工艺过程^[11]，大大缩短了生产周期，在节省能耗的同时还提高了生产效率。但双辊铸轧工艺仅适合于生产纯Al、1xxx系、3xxx系、5xxx和8xxx系中的部分结晶温度范围较窄的低合金化铝合金，难以生产结晶温度区间较大的具有较宽液固相凝固区间、合金元素含量较高的合金。并且双辊铸轧工艺生产的铸轧板坯通常沿厚度方向存在溶质元素分布不均匀的现象，尤其是在板材中心极易形成中心偏析等缺陷，严重恶化铸轧板材的性能，这也成为制约双辊铸轧技术进一步发展的一道屏障。

2099Al-Li合金的固-液相线之差高达152 ℃，固-液相线之间的水平距离越大，结晶过程中析出的固相和液相的成分差就越大，偏析程度越严重。因此，2099Al-Li合金的铸轧难度较大。国内外对采用铸轧工艺制备Al-Li合金的方法目前鲜见报道。鉴于此，本工作通过控制和优化双辊铸轧工艺参数，将双辊铸轧工艺用于Al-Li合金的高效制备，并通过施加电磁振荡场解决了铸轧板坯中心偏析的问题。研究了双辊铸轧及电磁双辊铸轧制备的2099Al-Li合金的显微组织特征和性能变化规律，并对双辊铸轧过程中的宏观和微观偏析形成机理以及电磁振荡场在双辊铸轧过程中的作用机制进行了详细的探讨。

1 实验方法

实验所用合金以高纯Al锭(99.99%，质量分数，下同)、高纯Li锭(99.9%)、高纯Mg锭(99.9%)、高纯Zn锭(99.9%)及Al-50%Cu、Al-10%Mn、Al-5%Zr中间合金为原料，采用30%LiF+70%LiCl为覆盖剂，高纯Ar气为保护气体，在电阻炉中进行合金熔炼。电阻炉升温至700 ℃，待合金完全熔化并保温30 min后启动铸轧机，并将铸轧速率控制在1.01 m/min左右，熔体通过硅酸铝材质的铸咀导入轧辊。电磁铸轧过程中，同时开启脉冲电源及磁场发生装置。脉冲电流参数为频率20 Hz，峰值电流300 A，占空比15%，磁感应强度43 mT。电磁铸轧装置示意图及实物图分别如图1a和b所示。不同工艺下制备的2099Al-Li合金成分(质量分数，%)为Al-2.657Cu-1.885Li-0.259Mg-0.270Mn-0.765Zn-0.085Zr-0.147Fe-0.041Si。

图1

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图1 电磁双辊铸轧工艺示意图和电磁双辊铸轧工艺实物图

Fig.1 Schematic of electromagnetic twin-roll casting (TRC) technique (a) and practicality diagram of electromagnetic TRC experimental device (b) (1—2099Al-Li alloy melt; 2—chute; 3—nozzle; 4—electromagnetic coil; 5—2099Al-Li alloy sheet; 6—roll; 7—cooling water; 8—pulsed electric field (PEF) wire; 9—pulse power supply)

在铸轧板及电磁铸轧板宽度方向的1/4处切取15 mm×10 mm×6 mm的试样进行显微组织观测。分别采用DMI5000M型金相显微镜(OM)、SSX-550型扫描电镜(SEM)及JXA-8530F型电子探针(EPMA)观察合金试样的微观组织。金相试样采用Keller试剂(95 mL H₂O+2.5 mL HNO₃+1.5 mL HCl+1 mL HF)腐蚀，SEM试样不腐蚀。采用EPMA自带的波谱仪(WDS)检测试样的合金元素分布情况。采用D/max-2500PC型X射线衍射仪(XRD)检测合金试样的物相组成。热分析测试在STA 449C差示扫描热分析仪(DSC)上进行，以Al₂O₃为参比物质，以10 ℃/min的升温速率从室温升至700 ℃。电导率和硬度的测量分别采用D60K数字金属电导率测量仪及KB3000BURZ-SA型宏观Vickers硬度计。拉伸件标距为34 mm，厚度为6 mm，在CSS-44100型万能材料力学拉伸试验机上进行拉伸实验，拉伸速率为2 mm/min。采用Image-Pro Plus 软件统计不同条件下制备的2099Al-Li合金的二次枝晶臂间距。每一个条件下至少统计5张同一倍数下随机采取的金相图片，上述每张金相图片至少统计60组随机分布的二次枝晶，最终二次枝晶臂间距结果取平均值。

2 实验结果

2.1 宏观偏析分析

图2所示为不同制备工艺下2099Al-Li合金的微观组织。由于2099Al-Li合金中的Li含量较高，普通铸造过程中容易吸气，从而使铸锭中产生气孔和微裂纹等缺陷。而双辊铸轧工艺将连续铸造和轧制变形结合为一道工序，熔体在冷却凝固的同时受到一定的轧制力，补偿了金属液在铸轧区内的凝固收缩，从而获得没有缩孔的致密板材。但是双辊铸轧工艺制备的合金在板坯中心部位存在明显的连续宏观偏析带，且偏析带宽度接近1 mm，如图2b所示。铸轧带材的中心宏观偏析带会对板坯质量以及后续加工性能产生不良影响，中心偏析严重时铸轧板将出现中心分层现象，严重恶化板材的性能。然而，在铸轧过程中施加电磁振荡场之后，中心宏观偏析带基本消除，取而代之的是较为细小的等轴晶，铸轧板坯质量得到显著改善，如图2d所示。

图2

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图2 不同工艺条件下制备的2099Al-Li合金的微观组织

Fig.2 Microstructures of 2099Al-Li alloy produced by different processes

(a, b) TRC (c, d) electromagnetic TRC

图3所示为不同制备工艺条件下合金的二次枝晶臂间距变化情况。由图可知，双辊铸轧及电磁双辊铸轧2种工艺制备的2099Al-Li合金的二次枝晶臂间距分别为9.04及6.90 μm。从统计结果可以看出，相较于传统铸轧工艺，电磁双辊铸轧工艺可以显著减小合金的二次枝晶臂间距，细化合金凝固组织。

图3

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图3 不同工艺条件下制备的2099Al-Li合金二次枝晶臂间距统计结果

Fig.3 Secondary dendrite arm spacing statistical results of 2099Al-Li alloy produced by different processes

(a) TRC (b) electromagnetic TRC

2.2 微观偏析分析

为了进一部研究不同制备工艺条件下合金的微观偏析情况，采用EMPA及WDS对2099Al-Li合金铸轧板及电磁铸轧板进行检测，结果如图4所示。由图可知，无论是铸轧板材还是电磁铸轧板材，晶界或枝晶干上的合金元素含量均高于晶内或枝晶间的元素含量，表明2种工艺条件下制备的2099Al-Li合金均存在微观偏析。如图4b所示，铸轧板扫描线特征位置上各元素含量波动剧烈，表明铸轧板的微观偏析较为严重，其中以Cu元素的偏析最为严重。当在铸轧过程中施加电磁振荡场之后，各元素的微观偏析程度显著减轻，此时各元素的波动较为平缓，如图4d所示。

图4

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图4 不同工艺条件下制备的2099Al-Li合金的微观组织及线扫描元素分布图

Fig.4 Microstructures (a, c) and element distributions (b, d) of 2099Al-Li alloy produce by different processes

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(a, b) TRC (c, d) electromagnetic TRC

采用偏析度Se定量分析不同制备工艺条件对2099Al-Li合金微观偏析的影响，Se的计算公式为：

S e = \frac{C_{m a x} - C_{m i n}}{C_{0}}

(1)

式中，Se为偏析度；C_max表示某组元在偏析区内的最高浓度；C_min表示某组元在偏析区的最低浓度；C₀为某组元的平均浓度。

表1所示为不同工艺条件下制备的2099Al-Li合金对应的图4中EPMA扫描线特征位置上的各元素含量，以及通过式(1)获得的Se的计算结果。为了更直观地体现不同工艺条件对微观偏析的影响，将表1中Se的计算结果绘成如图5所示的直方图。

表1 不同工艺条件制备的2099Al-Li合金EPMA特征位置上的元素含量

Table 1 Element contents at the EPMA characteristic position of 2099Al-Li alloy prepared by different processes

Process	Element	C_max / %	C_min / %	C₀ / %	Se
TRC	Cu	23.25	0.22	1.63	14.13
	Zn	1.14	0.29	0.69	1.23
	Mg	0.43	0.15	0.21	1.33
Electromagnetic TRC	Cu	1.59	0.22	0.56	2.45
	Zn	0.86	0.34	0.56	0.93
	Mg	0.34	0.12	0.21	1.05

Note:Se is the micro-segregation degree; C_max, C_min and C₀ are the maximum, minimum and average contents of an element in the segregation zone, respectively

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图5

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图5 不同工艺条件下2099Al-Li合金各元素偏析度

Fig.5 The segregation degree of 2099Al-Li alloy produced by different processes

由图5可知，通过双辊铸轧工艺制备的2099Al-Li合金各元素偏析度较大，Cu、Zn、Mg元素的偏析度分别为14.13、1.23、1.33。当在双辊铸轧过程中施加电磁振荡场之后，Cu、Zn、Mg元素的偏析度分别降低至2.45、0.93、1.05。实验结果充分表明，双辊铸轧工艺条件下制备的铸轧板坯的微观偏析较为严重，但在铸轧过程中施加电磁振荡场可以显著减轻铸轧板坯各元素的微观偏析程度。这与图4中EPMA的检测结果是一致的。

2.3 DSC分析

图6所示为不同工艺条件下制备的2099Al-Li合金的DSC曲线。由图可知，双辊铸轧和电磁双辊铸轧2种工艺条件制备的2099Al-Li合金在531 ℃附近分别出现了大小不一的吸热峰A和B。热分析过程中非平衡共晶相的溶解使DSC曲线中出现吸热峰，而吸热峰面积大小的差异则是由于不同工艺条件下制备的合金中非平衡共晶相的含量不同所造成的。对图中吸热峰的面积进行积分，可以定量计算试样在热分析过程中非平衡共晶相溶解的热焓，进而定量计算出非平衡共晶相的体积分数^[12]。由图6可知，双辊铸轧制备的2099Al-Li合金中非平衡共晶相溶解的热焓为6.599 J/g，当在铸轧过程中施加电磁振荡场之后非平衡共晶相溶解的热焓降至2.556 J/g。实验结果表明，在双辊铸轧过程中施加电磁振荡场可以显著降低2099Al-Li合金铸轧板坯中非平衡共晶相的数量。

图6

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图6 不同工艺条件下制备的2099Al-Li合金的DSC曲线

Fig.6 DSC curves of 2099Al-Li alloy produced by different processes

2.4 电导率

对不同工艺条件下制备的2099Al-Li合金的电导率进行测试，得到铸轧板的电导率为9.67 MS/m，而在铸轧过程中施加电磁振荡场之后，合金的电导率降低至8.85 MS/m。电导率的逐渐降低是由于合金的固溶度增大而导致的。Altenpohl和Arnberg^[13]认为固溶度对合金电导率的影响最大，固溶在Al基体中的原子引起的电导率降低幅度远大于沉淀析出的第二相引起的电导率的升高幅度。同时，相关研究^[14,15]表明，固溶程度越高，溶质原子溶入基体晶格的数量越多，引起基体的晶格畸变也就越大。因此，电子的散射增大，电阻率增大，从而使电导率降低。

2.5 拉伸性能及拉伸断口形貌

对不同工艺条件下制备的2099Al-Li合金的拉伸性能进行了测试。双辊铸轧工艺制备的合金的抗拉强度、屈服强度及延伸率分别168 MPa、109 MPa及9.88%。而在铸轧过程中施加电磁振荡场之后，2099Al-Li合金板材的力学性能得到大幅改善，此时合金的抗拉强度、屈服强度及延伸率分别202 MPa、127 MPa及12.68%。合金的抗拉强度提升了34 MPa，屈服强度提升了18 MPa，延伸率提升了2.8%。

图7所示为不同工艺条件下制备的2099Al-Li合金拉伸断口形貌。双辊铸轧工艺制备的2099Al-Li合金拉伸断口呈现较为典型的韧性断裂特征。如图7a所示，此时可以观察到明显的韧窝，但是韧窝大小不一，尺寸不均匀。图7b所示为电磁铸轧板材的断口形貌，与双辊铸轧制备工艺条件相比，此时韧窝数量显著增加，韧窝均匀细小，平均尺寸约为5 μm，且韧窝深度较深，电磁铸轧工艺制备的2099Al-Li合金的延伸率得以进一步提升。

图7

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图7 不同工艺条件下制备的2099Al-Li合金拉伸断口形貌

Fig.7 Fracture morphologies of 2099Al-Li alloy produced by different processes

(a) TRC (b) electromagnetic TRC

3 分析讨论

3.1 双辊铸轧过程中宏观偏析形成机制

凝固过程中的溶质分配系数(K)可由下式表示^[16]：

K = \frac{C_{S}}{C_{L}}

(2)

式中，C_S为固相溶质浓度；C_L为液相溶质浓度。

对于实验过程中所添加的合金元素而言，凝固过程中溶质分配系数K<1，根据式(2)，在凝固过程中先结晶的固相中的溶质元素含量始终小于周围液相的溶质浓度。随着凝固过程的进行，溶质原子通过固-液界面不断地被排出至液相区域并进行富集，随着凝固界面的推进，液相的溶质含量逐渐升高，结晶出来的固相成分也越来越高，最终造成合金宏观尺寸上各部位溶质元素分布不均匀而形成宏观偏析。此外，铸轧过程具有区别于普通铸造的特殊凝固方式。根据Gäumann等^[17]的研究结果可知，铸轧时，热量从熔体中心传向上下轧辊的激冷表面，首先在两侧结晶辊表面形成细小枝晶。双辊铸轧过程中的界面换热系数为5000~20000 W/(m²·K)，而传统模铸及半连续铸造二次冷却阶段的界面换热系数仅为60~130 W/(m²·K)^[18,19]。因此，双辊铸轧工艺过程的平均冷却速率远大于传统铸造工艺。在双辊铸轧工艺的高冷却速率下，合金熔体快速定向导热结晶，快速生长的树枝晶的一次枝晶轴朝着与导热方向相反的方向迅速生长，形成柱状晶。在上下轧辊的对称冷却作用下，两侧的柱状晶不断相对生长和向中部推移，并通过枝晶尖端将含有高浓度溶质和低熔点混合物的铝液推向板坯芯部区域进行凝固，最终形成如图2a和b所示的中心宏观偏析带。

较高的冷却速率下，较多的合金元素被捕获并且固溶于α(Al)基体中，合金凝固后的组织结构更加接近固溶处理状态，因此铸轧板材的固溶度较高。固溶度越高，合金的强度也越高。但是双辊铸轧制备的板材宏观偏析较为严重，这些偏析部位因合金元素含量高，容易形成各种粗大的脆性析出相，这些粗大的脆性析出相在拉应力的作用下容易脱离基体形成微裂纹，增大裂纹产生倾向，促进沿晶断裂形成，大幅降低材料的强度、塑性。

3.2 双辊铸轧过程中微观偏析形成机制

由于固溶体合金的不平衡结晶，使得先后从液相中结晶出的固相成分不同，从而造成合金的微观偏析。而且双辊铸轧过程中，在上下结晶辊的冷却作用下金属熔体快速冷却结晶，溶质元素来不及扩散均匀，这就造成了溶质元素分布不均匀，不可避免地在α(Al)中形成浓度梯度。结果导致晶粒内部的化学成分不均匀，特别是在靠近晶界和枝晶处，与平均浓度有很大的差别。此外，由于双辊铸轧过程中的高冷却速率，使结晶过程更加偏离平衡位置，因此铸轧板坯的微观偏析程度更加严重，如图4b所示。无论是在传统铸造过程中还是在双辊铸轧过程中，合金的实际凝固过程往往都存在一定成分过冷的非平衡凝固。在凝固界面前沿，随着枝晶的不断往前生长，溶质元素逐渐被排挤到枝晶末端液相中形成非平衡共晶相，在热分析过程中这些非平衡共晶相吸热溶解，产生如图6所示的吸热峰。

3.3 双辊铸轧过程中电磁振荡场的作用机理

当在双辊铸轧过程中给熔融金属施加电磁振荡场后，铸轧区内的金属熔体受到交变Lorentz力的作用，并在这种电磁振荡力的作用下完成形核、长大和凝固等一系列过程。电磁振荡能够显著细化铸轧板材组织，并通过细化晶粒增加晶界，将多余的溶质元素和脆性相分布于更广的晶界上以及更细小的枝晶之间，使铸轧板沿板材厚度方向不出现明显的溶质偏聚或者形成过大的溶质富集区，同时也使更少的溶质元素聚集至板坯中心，从而减轻中心偏析^[20,21]。此外，电磁铸轧板材的凝固组织显著改善，中部形成了许多如图2d所示的均匀细小的等轴晶组织。等轴晶的存在使熔体产生晶间流动的阻力大大增加，抑制了熔体在两相内的远程流动，也会使宏观偏析的程度减轻^[22]。

外加电磁场一方面使枝晶细化，抑制了凝固界面前沿枝晶末端对溶质原子的排挤。另一方面电磁振荡作用促进了熔体对流和溶质传输。无外场条件铸轧过程中，凝固界面前沿液相区自然对流很弱，当施加电磁场后会形成具有一定方向和频率的Lorentz力作用于这部分液相区，使其流动不再是单一的自然对流，还有强制对流，从而加强溶质扩散，减少了共晶液相的存在，从而使得凝固组织中的非平衡共晶相含量大幅度降低，如图6所示。

此外，电磁振荡场在熔融金属中产生的交变Lorentz力具有一定的方向和频率，可以对铸轧区内的熔体产生电磁搅拌作用从而使溶质原子的混合能力增加^[23]。尤其是在固液界面处，熔体的振荡搅拌效果最为显著，因此凝固前沿生长的枝晶受到大小及方向不断变化的力矩的剪切作用而发生碎断，如图8所示。因此，枝晶的生长受到抑制，避免了枝晶臂彼此接触“搭桥”，阻止溶质原子在晶间及二次枝晶臂根部富集，从而使溶质元素趋于均衡分布，因此2099Al-Li合金铸轧板材的微观偏析得以有效减轻。并且，这些被电磁体积力打断的碎小枝晶在铸轧区内继续受到电磁力的振荡作用，弥散地分布到凝固前沿的亚稳流体中，成为“异质”形核点，提高了形核率，使凝固组织进一步得到细化^[24]。枝晶的碎断和结晶组织的等轴化、细化有利于提高溶质元素的晶内含量^[25]，因此电磁双辊铸轧制备的板材的固溶度较传统铸轧工艺进一步增大，电磁双辊铸轧板材的凝固组织也更加均匀、细小。2099Al-Li合金电磁铸轧板材的力学性能得到进一步提升。

图8

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图8 带电粒子在电磁振荡场作用下的受力分析和枝晶碎断模型

Fig.8 Force analysis of charged particles under electromagnetic oscillation field and dendrite fragmentation model

4 结论

(1) 双辊铸轧工艺较高的冷却速率可以显著减小合金的二次枝晶臂间距，细化合金的凝固组织，但是板坯中心存在宽度接近1 mm的宏观偏析带。在铸轧过程中施加电磁振荡场之后，合金的平均二次枝晶臂间距降至6.90 μm，宏观偏析带基本消除。

(2) 电磁双辊铸轧工艺可以显著减轻铸轧板材的微观偏析。铸轧过程中施加电磁振荡场之后，合金中Cu、Zn、Mg元素的偏析度分别由14.13、1.23、1.33降低至2.45、0.93、1.05。

(3) 电磁双辊铸轧工艺在细化凝固组织、减轻合金宏、微观偏析的同时，还可以显著减少非平衡共晶相含量，增大合金的过饱和固溶度，促进细小、高固溶组织的形成。

(4) 在双辊铸轧过程中施加电磁振荡场之后，2099Al-Li合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率可达202 MPa、127 MPa、12.68%。与不施加外场的传统双辊铸轧工艺相比，合金的抗拉强度提升了34 MPa，屈服强度提升了18 MPa，延伸率提升了2.8%。合金铸轧板材的力学性能得到显著提升。

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