半连续铸造在工业上应用近百年,但表面偏析带(表现为偏析瘤、冷隔和表面溶质富集层)仍然是困扰高端铝材生产的最顽固缺陷之一。
表面偏析瘤的本质是低熔点共晶富集被“挤压”到铸锭表面的结果。其形成是一个多因素耦合的复杂过程:
结晶器内熔体快速冷却,导致表面层快速凝固形成凝固壳。由于凝固收缩,在铸锭表面与结晶器工作面之间形成了一个间隙。气隙的导热性远低于铝,导致该位置的传热急剧下降。
凝固壳向外散热受阻,而内部液腔的液相仍通过已凝固层向内传热。这个“吸热大于散热”的过程导致了凝固壳的二次加热。当二次加热温度超过低熔点组分的熔点时,凝固壳会发生局部重熔。
挤压出的低熔点共晶含有大量低熔点共晶(富含Mg₂Si、Al₆Mn等第二相)熔体。沿晶界和枝晶间,原始结晶时形成的氧化膜被破坏,挤入铸锭与结晶器之间的间隙,凝结成偏析瘤。金相检验表明,偏析瘤区域通常是低熔点共晶富集区,其中第二相的尺寸比基体大几倍,分布也密集,第二相的体积分数也大几倍。有时,在偏析瘤处可见初生相(如羽毛状或块状Mg₂Si,或相间有孔隙的Al₆Mn)。
表面偏析带中的偏析瘤是变形加工前必须去除的异常组织。若未能完全去除,残留的偏析瘤将带入变形产品的表面或内部,极大地降低合金的力学性能,并易在服役过程中产生裂纹和失效;铝合金基体与偏析瘤之间存在较大的间隙,成为疲劳裂纹源;含有大量低熔点共晶,使合金在热处理时易发生过烧和表面气孔。这意味着,带有偏析瘤的铸锭,如果在轧制过程中未将偏析层完全去除,后续挤压材表面会周期性地出现“黑线”和“起皮”;板材轧制时会形成轧制气孔;在航空航天锻件中,则成为无损检测失效的致命缺陷。
基于多项研究,影响表面偏析瘤形成的外在工艺因素主要包括:
半连续铸造在工业上应用近百年,但表面偏析带(表现为偏析瘤、冷隔和表面溶质富集层)仍然是困扰高端铝材生产的最顽固缺陷之一。
表面偏析瘤的本质是低熔点共晶富集被“挤压”到铸锭表面的结果。其形成是一个多因素耦合的复杂过程:
结晶器内熔体快速冷却,导致表面层快速凝固形成凝固壳。由于凝固收缩,在铸锭表面与结晶器工作面之间形成了一个间隙。气隙的导热性远低于铝,导致该位置的传热急剧下降。
凝固壳向外散热受阻,而内部液腔的液相仍通过已凝固层向内传热。这个“吸热大于散热”的过程导致了凝固壳的二次加热。当二次加热温度超过低熔点组分的熔点时,凝固壳会发生局部重熔。
挤压出的低熔点共晶含有大量低熔点共晶(富含Mg₂Si、Al₆Mn等第二相)熔体。沿晶界和枝晶间,原始结晶时形成的氧化膜被破坏,挤入铸锭与结晶器之间的间隙,凝结成偏析瘤。金相检验表明,偏析瘤区域通常是低熔点共晶富集区,其中第二相的尺寸比基体大几倍,分布也密集,第二相的体积分数也大几倍。有时,在偏析瘤处可见初生相(如羽毛状或块状Mg₂Si,或相间有孔隙的Al₆Mn)。
表面偏析带中的偏析瘤是变形加工前必须去除的异常组织。若未能完全去除,残留的偏析瘤将带入变形产品的表面或内部,极大地降低合金的力学性能,并易在服役过程中产生裂纹和失效;铝合金基体与偏析瘤之间存在较大的间隙,成为疲劳裂纹源;含有大量低熔点共晶,使合金在热处理时易发生过烧和表面气孔。这意味着,带有偏析瘤的铸锭,如果在轧制过程中未将偏析层完全去除,后续挤压材表面会周期性地出现“黑线”和“起皮”;板材轧制时会形成轧制气孔;在航空航天锻件中,则成为无损检测失效的致命缺陷。
基于多项研究,影响表面偏析瘤形成的外在工艺因素主要包括: