D0I:10.13374/.issn1001-053x.2011.10.006 第33卷第10期 北京科技大学学报 Vol.33 No.10 2011年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2011 扰流柱参数对半固态AS9Mg组织的影响 谭建波四李增民李立新 郭莉军冯清梅 河北科技大学材料科学与工程学院，石家庄050018 ☒通信作者，E-mail:tanjianl998@163.com 摘要提出将扰流冷却技术应用于半固态合金制备中，在自制的倾斜冷却装置内安放扰流柱，制备半固态A1S9Mg合金水 淬试样，用定量分析技术分析试样组织，研究扰流柱形状、排列方式和排列间距对半固态AS9Mg合金组织的影响.结果表 明：扰流柱为水滴形时，制备的半固态AS9Mg合金中初生a一A1相较多，组织均匀，边缘轮廓清晰，初生α一A1相为球形或近 球形，水淬组织特征为初生固相率53.54%，晶粒尺寸5.59μm,形状因子0.61.扰流柱的排列方式和排列间距对半固态A1- Si9Mg合金组织有较大的彩响，叉排优于顺排，理想的排列间距为行间距S=15mm,列间距L=40mm. 关键词铝合金：半固态：凝固：扰流柱：显微结构 分类号TG146.4 Influence of the parameters of pin fins on the microstructures of semi-solid Al- Si9Mg alloy TAN Jian-bo,L Zeng-min,LI Li-xin,GUO Li-jun,FENG Qing-mei Sehool of Material Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang 050018,China Corresponding author,E-mail:tanjian1998@163.com ABSTRACT A burbling cooling technique used for preparing semi-solid alloys was presented.Water quenching specimens made of semi-solid AlSi9Mg alloy were prepared by which pin fins were put into a homemade sloping cooling device.The microstructures of the specimens were analyzed by the quantitative analysis technique.The influence of the shape,arrayed mode and arrayed pitch of pin fins on the microstructure of semi-solid AlSi9Mg alloy was studied.It is revealed that when the sectional shape of pin fins is water drop shaped,more aAl phases with homogeneous microstructure and clear outline are obtained in the semi-solid alloy melt,showing spheri- cal or nearly spherical shapes.The water quenching characteristics are the primary solid rate of 53.54%,the grain size of 5.59 um and the shape factor of 0.61.Different arrayed modes and different arrayed pitches of pin fins have great influence on the microstructure of the semi-solid AlSi9Mg alloy melt.The cross array has more advantages over the order array under the same conditions,and the ideal spacing is the one with line spacing S=15 mm and column spacing L=40 mm. KEY WORDS aluminum alloys:semi-solid:solidification:pin fins:microstructure 钝体扰流问题大量地出现在各种实际问题中， 思路，将扰流柱冷却技术应用到半固态合金的制备 如风工程、海洋工程、化学工程、地面交通、航空航天 中，利用自制的倾斜冷却剪切流变装置，在倾斜板内 以及体育运动的广泛领域0.扰流柱群因其固有的 放置扰流柱，研究了扰流柱形状、排列方式及排列间 强化传热和结构特征，在涡轮发动机叶片尾缘的冷 距对半固态ASi9Mg合金组织的影响. 却结构中起着十分重要的作用，因此国内外学者就 扰流柱对涡轮发动机叶片尾缘冷却效果进行了大量 1实验 的研究，取得了可喜的成果-.倾斜板法制备半固 实验所用材料为AISi9Mg合金，名义成分为 态合金，流程短、成本低，因此本文借鉴其研究 9%Si,0.25%Mg,0.4%Mn（质量分数)，余量为 收稿日期：2010-10-08 基金项目：河北省自然科学基金资助项目(E2010000880):河北科技大学博士基金资助项目(QD200901)
第 33 卷 第 10 期 2011 年 10 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 10 Oct． 2011 扰流柱参数对半固态 AlSi9Mg 组织的影响 谭建波 李增民 李立新 郭莉军 冯清梅 河北科技大学材料科学与工程学院，石家庄 050018 通信作者，E-mail: tanjian1998@ 163． com 摘 要 提出将扰流冷却技术应用于半固态合金制备中，在自制的倾斜冷却装置内安放扰流柱，制备半固态 AlSi9Mg 合金水 淬试样，用定量分析技术分析试样组织，研究扰流柱形状、排列方式和排列间距对半固态 AlSi9Mg 合金组织的影响． 结果表 明: 扰流柱为水滴形时，制备的半固态 AlSi9Mg 合金中初生 α--Al 相较多，组织均匀，边缘轮廓清晰，初生 α--Al 相为球形或近 球形，水淬组织特征为初生固相率 53. 54% ，晶粒尺寸 5. 59 μm，形状因子 0. 61. 扰流柱的排列方式和排列间距对半固态 AlSi9Mg 合金组织有较大的影响，叉排优于顺排，理想的排列间距为行间距 S = 15 mm，列间距 L = 40 mm． 关键词 铝合金; 半固态; 凝固; 扰流柱; 显微结构 分类号 TG146. 4 Influence of the parameters of pin fins on the microstructures of semi-solid AlSi9Mg alloy TAN Jian-bo ，LI Zeng-min，LI Li-xin，GUO Li-jun，FENG Qing-mei School of Material Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang 050018，China Corresponding author，E-mail: tanjian1998@ 163． com ABSTRACT A burbling cooling technique used for preparing semi-solid alloys was presented． Water quenching specimens made of semi-solid AlSi9Mg alloy were prepared by which pin fins were put into a homemade sloping cooling device． The microstructures of the specimens were analyzed by the quantitative analysis technique． The influence of the shape，arrayed mode and arrayed pitch of pin fins on the microstructure of semi-solid AlSi9Mg alloy was studied． It is revealed that when the sectional shape of pin fins is water drop shaped，more α-Al phases with homogeneous microstructure and clear outline are obtained in the semi-solid alloy melt，showing spherical or nearly spherical shapes． The water quenching characteristics are the primary solid rate of 53. 54% ，the grain size of 5. 59μm and the shape factor of 0. 61. Different arrayed modes and different arrayed pitches of pin fins have great influence on the microstructure of the semi-solid AlSi9Mg alloy melt． The cross array has more advantages over the order array under the same conditions，and the ideal spacing is the one with line spacing S = 15 mm and column spacing L = 40 mm． KEY WORDS aluminum alloys; semi-solid; solidification; pin fins; microstructure 收稿日期: 2010--10--08 基金项目: 河北省自然科学基金资助项目( E2010000880) ; 河北科技大学博士基金资助项目( QD200901) 钝体扰流问题大量地出现在各种实际问题中， 如风工程、海洋工程、化学工程、地面交通、航空航天 以及体育运动的广泛领域［1］． 扰流柱群因其固有的 强化传热和结构特征，在涡轮发动机叶片尾缘的冷 却结构中起着十分重要的作用，因此国内外学者就 扰流柱对涡轮发动机叶片尾缘冷却效果进行了大量 的研究，取得了可喜的成果［2--6］． 倾斜板法制备半固 态合金，流程短、成本低［7--9］，因此本文借鉴其研究 思路，将扰流柱冷却技术应用到半固态合金的制备 中，利用自制的倾斜冷却剪切流变装置，在倾斜板内 放置扰流柱，研究了扰流柱形状、排列方式及排列间 距对半固态 AlSi9Mg 合金组织的影响． 1 实验 实验 所 用 材 料 为 AlSi9Mg 合 金，名 义 成 分 为 9% Si，0. 25% Mg，0. 4% Mn ( 质量分数) ，余量为 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.10.006
·1244 北京科技大学学报 第33卷 AL.合金的液相线为595℃，固相线为555℃0.实 2结果与讨论 验设备为自行设计、振动频率可调的倾斜冷却剪切 装置，如图1所示 2.1扰流柱形状对AlSi9Mg组织的影响 出水口 倾斜板 在倾斜板内布置形状分别为圆柱形、椭圆形和 水滴形的扰流柱，扰流柱截面形状如图2所示.扰 进水门 支架 流柱宽度方向尺寸相同，即图2中的d=b=m,扰流 振动台 铸模 柱排列方式为叉排.图3为水滴形扰流柱叉排示意图， 实验得到的水淬组织如图4所示，组织特征见表1. 图1倾斜冷却剪切装置 Fig.1 Sloping cooling and shearing device 实验条件均为：倾斜板的倾斜角度为45°，倾斜 图2扰流柱截面形状.(a)圆形：(b)椭圆形：(c)水滴形 板的预热温度为120℃，浇注长度为400mm,浇注温 Fig.2 Sectional shapes of pin fins:(a)circle;(b)elliptical:(c) 度为600℃，振动频率为40Hz.通过改变扰流柱形 water drop shaped 状、排列方式和排列间距制备半固态A1Si9Mg合金. 金属流动方向 在倾斜冷却剪切装置下端，用取样器接取少量不同 制备参数下的半固态AISi9Mg合金并立即水淬，制 取金相试样，试样用4%的NaOH溶液浸蚀.利用图 像分析技术测定水淬组织中初生固相的平均周长、 平均尺寸，计算初生固相晶粒的尺寸和形状因 子四.为了减小误差，对每个试样的8~10视场进 行了测量，然后取其平均值作为该试样初生固相的 图3水滴形扰流柱叉排示意图 组织特征 Fig.3 Sketch map of the cross array in water drop shaped pin fins 50m 50m 50 jm 图4扰流柱形状对AS9Mg组织的影响.(a)圆形：(b)椭圆形：(c)水滴形 Fig.4 Effect of pin fin shapes on the microstructure of AlSi9Mg:(a)circle:(b)elliptical:(c)water drop shaped 表1扰流柱形状对AS9Mg微观组织的影响 形时，组织较粗大，枝晶发达，合金熔体中液相较多， Table 1 Effect of pin fin shapes on the microstructure of AlSi9Mg 圆整度较圆形扰流柱有小幅度增加，但变化不明显， 扰流 初生固相率， 品粒尺寸， 形状因子， 柱形状 如图4(b)所示；扰流柱形状为水滴形时，合金熔体 f1% 1,/wm 圆形 41.94 5.81 0.49 中初生Qα一A!相较多，组织致密均匀，边缘轮廓清晰 椭圆形 43.26 7.70 0.55 可见，枝晶臂基本消失，转变为蔷薇状或球形，如图 53.54 5.59 4(c)所示. 水滴形 0.61 对以上实验结果进行分析，笔者认为：首先，由 由图4可以看出：当扰流柱形状为圆形时，固相 于在倾斜板上设计了扰流柱，当流体横掠柱束时，会 率较低，初生α一A相呈发达的枝晶状，且枝晶臂粗 出现特有的加速及减速流动，形成强烈的旋涡运动 大，组织中只有少量的球状或粒状初生α一Al相，圆 这种旋涡运动将消耗流体的部分能量，最终表现为 整度也较低，如图4(a)所示；当扰流柱形状为椭圆 流体静压的降低，增强了搅拌作用，即增加了湍流效
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 Al． 合金的液相线为 595 ℃，固相线为 555 ℃［10］． 实 验设备为自行设计、振动频率可调的倾斜冷却剪切 装置，如图 1 所示． 图 1 倾斜冷却剪切装置 Fig． 1 Sloping cooling and shearing device 实验条件均为: 倾斜板的倾斜角度为 45°，倾斜 板的预热温度为120 ℃，浇注长度为400 mm，浇注温 度为 600 ℃，振动频率为 40 Hz． 通过改变扰流柱形 状、排列方式和排列间距制备半固态 AlSi9Mg 合金． 在倾斜冷却剪切装置下端，用取样器接取少量不同 制备参数下的半固态 AlSi9Mg 合金并立即水淬，制 取金相试样，试样用 4% 的 NaOH 溶液浸蚀． 利用图 像分析技术测定水淬组织中初生固相的平均周长、 平均 尺 寸，计算初生固相晶粒的尺寸和形状因 子［11］． 为了减小误差，对每个试样的 8 ～ 10 视场进 行了测量，然后取其平均值作为该试样初生固相的 组织特征． 2 结果与讨论 2. 1 扰流柱形状对 AlSi9Mg 组织的影响 在倾斜板内布置形状分别为圆柱形、椭圆形和 水滴形的扰流柱，扰流柱截面形状如图 2 所示． 扰 流柱宽度方向尺寸相同，即图 2 中的 d = b = m，扰流 柱排列方式为叉排． 图3 为水滴形扰流柱叉排示意图， 实验得到的水淬组织如图4 所示，组织特征见表1． 图 2 扰流柱截面形状． ( a) 圆形; ( b) 椭圆形; ( c) 水滴形 Fig． 2 Sectional shapes of pin fins: ( a) circle; ( b) elliptical; ( c) water drop shaped 图 3 水滴形扰流柱叉排示意图 Fig． 3 Sketch map of the cross array in water drop shaped pin fins 图 4 扰流柱形状对 AlSi9Mg 组织的影响． ( a) 圆形; ( b) 椭圆形; ( c) 水滴形 Fig． 4 Effect of pin fin shapes on the microstructure of AlSi9Mg: ( a) circle; ( b) elliptical; ( c) water drop shaped 表 1 扰流柱形状对 AlSi9Mg 微观组织的影响 Table 1 Effect of pin fin shapes on the microstructure of AlSi9Mg 扰流 柱形状 初生固相率， fs /% 晶粒尺寸， ls /μm 形状因子， Fc 圆形 41. 94 5. 81 0. 49 椭圆形 43. 26 7. 70 0. 55 水滴形 53. 54 5. 59 0. 61 由图 4 可以看出: 当扰流柱形状为圆形时，固相 率较低，初生 α--Al 相呈发达的枝晶状，且枝晶臂粗 大，组织中只有少量的球状或粒状初生 α--Al 相，圆 整度也较低，如图 4( a) 所示; 当扰流柱形状为椭圆 形时，组织较粗大，枝晶发达，合金熔体中液相较多， 圆整度较圆形扰流柱有小幅度增加，但变化不明显， 如图 4( b) 所示; 扰流柱形状为水滴形时，合金熔体 中初生 α--Al 相较多，组织致密均匀，边缘轮廓清晰 可见，枝晶臂基本消失，转变为蔷薇状或球形，如图 4( c) 所示． 对以上实验结果进行分析，笔者认为: 首先，由 于在倾斜板上设计了扰流柱，当流体横掠柱束时，会 出现特有的加速及减速流动，形成强烈的旋涡运动． 这种旋涡运动将消耗流体的部分能量，最终表现为 流体静压的降低，增强了搅拌作用，即增加了湍流效 ·1244·
第10期 谭建波等：扰流柱参数对半固态AIS9Mg组织的影响 ·1245· 应，随湍流强度增加，对流的渗透度增加，液体进入 枝晶.椭圆形扰流柱由于尾部分离区较窄，其阻力比 枝晶间的能力增强，这样便可防止枝晶臂的形成.其 相应的圆形柱要小，但椭圆形扰流柱由于形核数目 次，水滴形扰流柱换热系数较大，冷却效率高，金属 较多，又存在较大阻力，综合两方面考虑，金属液流 液在流动过程中，温度降低较快，初生固相较多；水 经椭圆形扰流柱流速最缓，故形核后晶粒长大时间 滴形扰流柱流线型最好，与金属液接触面积最大，液 较长，晶粒尺寸最大 相除依附倾斜槽底端与侧面形核外，也可依附扰流 2.2排列方式对A1Si9Mg组织的影响 柱表面形核，故形核最多，因此倾斜板上安放水滴形 以水滴形扰流柱为研究对象，排列方式分别为 扰流柱后得到的初生固相率最高.椭圆形扰流柱流 顺排和叉排，实验结果见表2，其金相组织如图5 线优于圆形扰流柱，与金属液接触面积大于圆柱形， 所示 故形核数目较圆形扰流柱也有一定程度的增加.最 表2排列方式对A1S9Mg微观组织特征的影响 后，水滴形扰流柱接近流线型，金属液流动阻力低于 Table 2 Effect of arrayed modes on the microstructure characteristics of 圆形柱及椭圆形柱，金属液从安放了水滴形扰流柱 AlSi9Mg 的倾斜板上向下流动时，由于阻力小流速快，形核数 初生固相率， 品粒尺寸， 形状因子， 排列方式 量多，晶粒生长时间短，故水滴形扰流柱得到的晶粒 f1% L/μm 尺寸最小，形状也最为圆整.圆形扰流柱和金属液 顺排 34.46 9.81 0.48 接触面积最小，形核数量少，对金属液的剪切作用 叉排 53.54 5.59 0.61 小，故形成的晶粒形状圆整度较差，有一定数量的树 a 50n 504m 图5排列方式对AS9Mg组织的影响.(a)顺排：(b)叉排 Fig.5 Effect of arrayed modes on the microstructure of AlSi9Mg:(a)order array:(b)cross array 由图5可以看出：当扰流柱为顺排时，初生α一 的形成.在湍流情况下，一些溶质的质量分数为cx Al相有一部分为枝晶状，如图5(a)所示；扰流柱叉 的金属液渗入枝晶间，导致Ixp-xoI减少，质量分 排时，枝晶基本消失，晶粒较细小均匀，初生Q一A! 数梯度增加，最初形成的枝晶与液相之间的渗透作 相呈球形或蔷薇状，其组织明显优于顺排，如图5 用增加，尖端增长率降低，枝晶便不会形成.当扰流 (b)所示.笔者认为，叉排扰流柱对金属液的搅拌作 柱排列方式为叉排时，金属液之间的冲刷、碰撞程度 用高于顺排扰流柱，使金属液自身的对流增强，产生 增加，剪切力增加.与顺排相比，叉排扰流柱较易打 的湍流增大.湍流可以增加溶质之间的互相渗透， 碎已形成的枝晶，故叉排时枝晶基本消失，组织均 溶质间的质量分数梯度用下面的公式计算(P、Q为 匀，而顺排时有一定数量的枝晶形成，如图5(b) 流动金属液中的两点)☒： 所示 Vco=(col-col)/(x1-x2) (1) 2.3排列间距对ASi9Mg组织的影响 式中：co为Q点溶质的质量分数；Vc。为Q点溶质 以水滴形扰流柱为研究对象，排列方式为叉排， 的变化量；x是长度矢量；x1-x2为Q、P两点之间 排列方式如图3所示，排间距与列间距的比值约为 的距离，nm.在只有层流的情况下vp=-D(cp- 0.375,实验结果见表3，金相组织如图6所示 cx）/6,to=-D(cp-cx）/(8+xp-xo）,此时xp> 由图6可以看出：当排列间距较小时，形成的初 xo,p>to,pvo分别为P、Q两点溶质沿x方向的 生a一A!相不均匀，且有一定数量的小枝晶，而S为 增长速率；cp为P点溶质的质量分数；D为扩散系 15mm,L为40mm时，枝晶基本消除，组织均匀，圆 数，m2·s1;c为金属液中溶质的质量分数；δ为边 整度、固相率也有相应提高，轮廓清晰，组织为球形 界层厚度，nm.尖端P点增长最快，这将导致枝晶 或近球形：随着排列间距的进一步增大，又出现枝晶
第 10 期 谭建波等: 扰流柱参数对半固态 AlSi9Mg 组织的影响 应，随湍流强度增加，对流的渗透度增加，液体进入 枝晶间的能力增强，这样便可防止枝晶臂的形成． 其 次，水滴形扰流柱换热系数较大，冷却效率高，金属 液在流动过程中，温度降低较快，初生固相较多; 水 滴形扰流柱流线型最好，与金属液接触面积最大，液 相除依附倾斜槽底端与侧面形核外，也可依附扰流 柱表面形核，故形核最多，因此倾斜板上安放水滴形 扰流柱后得到的初生固相率最高． 椭圆形扰流柱流 线优于圆形扰流柱，与金属液接触面积大于圆柱形， 故形核数目较圆形扰流柱也有一定程度的增加． 最 后，水滴形扰流柱接近流线型，金属液流动阻力低于 圆形柱及椭圆形柱，金属液从安放了水滴形扰流柱 的倾斜板上向下流动时，由于阻力小流速快，形核数 量多，晶粒生长时间短，故水滴形扰流柱得到的晶粒 尺寸最小，形状也最为圆整． 圆形扰流柱和金属液 接触面积最小，形核数量少，对金属液的剪切作用 小，故形成的晶粒形状圆整度较差，有一定数量的树 枝晶． 椭圆形扰流柱由于尾部分离区较窄，其阻力比 相应的圆形柱要小，但椭圆形扰流柱由于形核数目 较多，又存在较大阻力，综合两方面考虑，金属液流 经椭圆形扰流柱流速最缓，故形核后晶粒长大时间 较长，晶粒尺寸最大． 2. 2 排列方式对 AlSi9Mg 组织的影响 以水滴形扰流柱为研究对象，排列方式分别为 顺排和叉排，实验结果见表 2，其金相组织如图 5 所示． 表 2 排列方式对 AlSi9Mg 微观组织特征的影响 Table 2 Effect of arrayed modes on the microstructure characteristics of AlSi9Mg 排列方式 初生固相率， fs /% 晶粒尺寸， ls /μm 形状因子， Fc 顺排 34. 46 9. 81 0. 48 叉排 53. 54 5. 59 0. 61 图 5 排列方式对 AlSi9Mg 组织的影响． ( a) 顺排; ( b) 叉排 Fig． 5 Effect of arrayed modes on the microstructure of AlSi9Mg: ( a) order array; ( b) cross array 由图 5 可以看出: 当扰流柱为顺排时，初生 α-- Al 相有一部分为枝晶状，如图 5( a) 所示; 扰流柱叉 排时，枝晶基本消失，晶粒较细小均匀，初生 α--Al 相呈球形或蔷薇状，其组织明显优于顺排，如图 5 ( b) 所示． 笔者认为，叉排扰流柱对金属液的搅拌作 用高于顺排扰流柱，使金属液自身的对流增强，产生 的湍流增大． 湍流可以增加溶质之间的互相渗透， 溶质间的质量分数梯度用下面的公式计算( P、Q 为 流动金属液中的两点) ［12］: Δ cQ ·x^ = ( cQ | x1 － cQ | x2 ) /( x1 － x2 ) ( 1) 式中: cQ 为 Q 点溶质的质量分数; Δ cQ 为 Q 点溶质 的变化量; x^ 是长度矢量; x1 － x2 为 Q、P 两点之间 的距离，nm． 在只有层流的情况下 vP = － D( cP － c∞ ) / δ，vQ = － D( cP － c∞ ) /( δ + xP － xQ ) ，此时 xP ＞ xQ，vP ＞ vQ，vP、vQ分别为 P、Q 两点溶质沿 x 方向的 增长速率; cP 为 P 点溶质的质量分数; D 为扩散系 数，m2 ·s － 1 ; c∞ 为金属液中溶质的质量分数; δ 为边 界层厚度，nm． 尖端 P 点增长最快，这将导致枝晶 的形成． 在湍流情况下，一些溶质的质量分数为 c∞ 的金属液渗入枝晶间，导致 | xP － xQ | 减少，质量分 数梯度增加，最初形成的枝晶与液相之间的渗透作 用增加，尖端增长率降低，枝晶便不会形成． 当扰流 柱排列方式为叉排时，金属液之间的冲刷、碰撞程度 增加，剪切力增加． 与顺排相比，叉排扰流柱较易打 碎已形成的枝晶，故叉排时枝晶基本消失，组织均 匀，而顺排时有一定数量的枝晶形成，如图 5 ( b) 所示． 2. 3 排列间距对 AlSi9Mg 组织的影响 以水滴形扰流柱为研究对象，排列方式为叉排， 排列方式如图 3 所示，排间距与列间距的比值约为 0. 375，实验结果见表 3，金相组织如图 6 所示． 由图 6 可以看出: 当排列间距较小时，形成的初 生 α--Al 相不均匀，且有一定数量的小枝晶，而 S 为 15 mm，L 为 40 mm 时，枝晶基本消除，组织均匀，圆 整度、固相率也有相应提高，轮廓清晰，组织为球形 或近球形; 随着排列间距的进一步增大，又出现枝晶 ·1245·
·1246 北京科技大学学报 第33卷 状初生α一A1相，枝晶破碎不完全，组织不均匀，且 力减小B.国.因此，当扰流组排列较密时，金属液流 液相较多，如图6(c)所示 动速度较慢，枝晶间、枝晶与合金间的相互冲刷、碰 表3排列间距对A1S9Mg微观组织的影响 撞和剪切作用较小，晶粒易于长成比较粗大的枝晶， Table 3 Effect of arrayed pitch on the microstructure of AlSi9Mg 加上扰流柱的冷却作用，在倾斜板底部凝固形成金 行间距， 列间距， 初生固相率，品粒尺寸， 形状因子， 属壳，进一步阻碍金属液的流动，形成的半固态合金 S/mm L/mm f1% l/pm 组织不明显，枝晶破碎效果不好随着排列间距的增 12 32 46.40 5.27 0.55 大，对金属液的阻碍作用减少，枝晶间、枝晶与合金 小 53.54 5.59 0.61 间的相互冲刷、碰撞和剪切作用加强，枝晶破碎，组 40 织变得均匀，圆整度提高，形成组织较好的半固态合 18 48 35.50 5.82 0.37 金.当排列间距继续增大时，扰流柱的阻力较小，金 研究表明，当扰流组排列较密时，金属液的流动 属液流动速度较快，剪切作用较弱，扰流效果不明 阻力较大，随着扰流组排列间距的增大，扰流柱的阻 显，部分晶粒又长大成为枝晶 a) 50m 50m 50 jm 图6排列间距对ASi9Mg组织的影响.(a)S=12mm,L=32mm;(b)S=15mm,L=40mm:(c)S=18mm,L=48mm Fig.6 Effect of arrayed pitch on the microstructure of AlSi9Mg:(a)S=12 mm,L=32 mm;(b)S=15 mm,L=40 mm:(c)S=18 mm,L=48 mm 京：南京航空航天大学，2006) 3结论 2] Wang F M.Design and Characteristic Research of the Water Drop- (1)扰流柱形状对半固态AISi9Mg合金的组织 shaped Pins [Dissertation].Nanjing:Nanjing University of Aero- nautics and Astronautics,2005 有一定的影响，当扰流柱形状为水滴形时，合金熔体 (王奉明.水滴形扰流元的设计和性能研究[学位论文].南 中初生α一A相较多，组织致密均匀，边缘轮廓清晰 京：南京航空航天大学，2005) 可见，枝晶臂基本消失，转变为蔷薇状或球形 B] Wang F M,Zhang J Z,Wang S F.Study of flow characteristics (2)当扰流柱排列方式为叉排，扰流柱为水滴 inside rectangular channel with different pin fins.Acta Aeronaut 1 stronaut Sin,2007,28(1):37 形时，制备的半固态AISi9Mg合金中初生Q一Al相水 (王奉明，张靖周，王锁芳.不同形状扰流柱矩形通道内流动 淬组织特征为：初生固相率为53.54%，晶粒尺寸 特性研究.航空学报，2007,28(1)：37) 5.59m,形状因子0.61. 4]Zhang J Y,Chang H P.Experiment about heat transfer character- (3)排列方式和排列间距对半固态A1Si9Mg合 istic of midchord region of turbine blade with pin-fin arrays.J 金的组织有一定的影响，叉排优于顺排，本实验条件 Aerosp Power,2010,25 (3)521 (张镜洋，常海萍.涡轮叶片弦中区扰流柱强化换热实验.航 下理想的排列间距为行间距S=15mm,列间距L= 空动力学报，2010,25(3)：521) 40mm. [5] Deng D Y,Gao H S,Yu K H,et al.Numerical simulation on flow and heat transfer of elliptical pin-fins in cooling channel.J 参考文献 Aerosp Power,2010,25(7):1545 (邓丁元，高行山，虞跨海，等。椭圆形扰流柱冷却通道流动与 [1]Huang G L.The Effect of Bamboo-Shaped Pins on the Heat Trans- 换热数值研究.航空动力学报，2010,25(7)：1545) fer [Dissertation].Nanjing:Nanjing University of Acronautics [6]Xu C Q,Li L.Ding S T,et al.Heat transfer in rectangular pin- and Astronautics,2006 finned channel with perforated plate.J Propul Technol,2009,30 (黄国联.竹节形扰流柱对换热效果的影响[学位论文].南 (1):15
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 状初生 α--Al 相，枝晶破碎不完全，组织不均匀，且 液相较多，如图 6( c) 所示． 表 3 排列间距对 AlSi9Mg 微观组织的影响 Table 3 Effect of arrayed pitch on the microstructure of AlSi9Mg 行间距， S /mm 列间距， L /mm 初生固相率， fs /% 晶粒尺寸， ls /μm 形状因子， Fc 12 32 46. 40 5. 27 0. 55 15 40 53. 54 5. 59 0. 61 18 48 35. 50 5. 82 0. 37 研究表明，当扰流组排列较密时，金属液的流动 阻力较大，随着扰流组排列间距的增大，扰流柱的阻 力减小［3，13］． 因此，当扰流组排列较密时，金属液流 动速度较慢，枝晶间、枝晶与合金间的相互冲刷、碰 撞和剪切作用较小，晶粒易于长成比较粗大的枝晶， 加上扰流柱的冷却作用，在倾斜板底部凝固形成金 属壳，进一步阻碍金属液的流动，形成的半固态合金 组织不明显，枝晶破碎效果不好． 随着排列间距的增 大，对金属液的阻碍作用减少，枝晶间、枝晶与合金 间的相互冲刷、碰撞和剪切作用加强，枝晶破碎，组 织变得均匀，圆整度提高，形成组织较好的半固态合 金． 当排列间距继续增大时，扰流柱的阻力较小，金 属液流动速度较快，剪切作用较弱，扰流效果不明 显，部分晶粒又长大成为枝晶． 图 6 排列间距对 AlSi9Mg 组织的影响． ( a) S = 12 mm，L = 32 mm; ( b) S = 15 mm，L = 40 mm; ( c) S = 18 mm，L = 48 mm Fig． 6 Effect of arrayed pitch on the microstructure of AlSi9Mg: ( a) S = 12 mm，L = 32 mm; ( b) S = 15 mm，L = 40 mm; ( c) S = 18 mm，L = 48 mm 3 结论 ( 1) 扰流柱形状对半固态 AlSi9Mg 合金的组织 有一定的影响，当扰流柱形状为水滴形时，合金熔体 中初生 α--Al 相较多，组织致密均匀，边缘轮廓清晰 可见，枝晶臂基本消失，转变为蔷薇状或球形． ( 2) 当扰流柱排列方式为叉排，扰流柱为水滴 形时，制备的半固态 AlSi9Mg 合金中初生 α--Al 相水 淬组织特征为: 初生固相率为 53. 54% ，晶粒尺寸 5. 59 μm，形状因子 0. 61. ( 3) 排列方式和排列间距对半固态 AlSi9Mg 合 金的组织有一定的影响，叉排优于顺排，本实验条件 下理想的排列间距为行间距 S = 15 mm，列间距 L = 40 mm． 参 考 文 献 ［1］ Huang G L． The Effect of Bamboo-Shaped Pins on the Heat Transfer ［Dissertation］． Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2006 ( 黄国联． 竹节形扰流柱对换热效果的影响［学位论文］． 南 京: 南京航空航天大学，2006) ［2］ Wang F M． Design and Characteristic Research of the Water Dropshaped Pins ［Dissertation］． Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2005 ( 王奉明． 水滴形扰流元的设计和性能研究［学位论文］． 南 京: 南京航空航天大学，2005) ［3］ Wang F M，Zhang J Z，Wang S F． Study of flow characteristics inside rectangular channel with different pin fins． Acta Aeronaut Astronaut Sin，2007，28( 1) : 37 ( 王奉明，张靖周，王锁芳． 不同形状扰流柱矩形通道内流动 特性研究． 航空学报，2007，28( 1) : 37) ［4］ Zhang J Y，Chang H P． Experiment about heat transfer characteristic of midchord region of turbine blade with pin-fin arrays． J Aerosp Power，2010，25( 3) : 521 ( 张镜洋，常海萍． 涡轮叶片弦中区扰流柱强化换热实验． 航 空动力学报，2010，25( 3) : 521) ［5］ Deng D Y，Gao H S，Yu K H，et al． Numerical simulation on flow and heat transfer of elliptical pin-fins in cooling channel． J Aerosp Power，2010，25( 7) : 1545 ( 邓丁元，高行山，虞跨海，等． 椭圆形扰流柱冷却通道流动与 换热数值研究． 航空动力学报，2010，25( 7) : 1545) ［6］ Xu G Q，Li L，Ding S T，et al． Heat transfer in rectangular pinfinned channel with perforated plate． J Propul Technol，2009，30 ( 1) : 15 ·1246·
第10期 谭建波等：扰流柱参数对半固态AIS9Mg组织的影响 ·1247· (徐国强，李莉，丁水汀，等.带射流孔板矩形扰流柱通道内的 Me,2002,21(3):224 壁面换热.推进技术，2009,30(1)：15) [11]Tan J B,Li Z Y,Wang Y J.Effect of rheocasting by ineline 7]Piao L Y,Motegi T.Influence of BN film of inclined cooling plate cooling and shearing on microstructures of semi-solid AlSi9Mg. on solid fraction in semisolid slurry.J Jpn Inst Met,2004,68 Chin J Nonferrous Met,2009,19(4):607 (4):228 (潭建波，李志勇，王英杰.倾斜冷却剪切流变参数对A- [8]Tanabe F,Motegi T.Grain refining of semi-solid Cu-Sn alloy cast- Si9Mg组织的影响.中国有色金属学报，2009,19(4)：607) ings using an inclined cooling plate.J Jpn Res Inst Adv Copper [12]Qin R S,Wallach E R.Phase-field simulation of semisolid metal Base Mater Technol,2004,43:177 processing under conditions of laminar and turbulent flow.Mater 9]Yang X R,Mao W M,Gao C.Preparation of semi-solid feedstock Sci Eng A,2003,357(1/2):45 by serpentine pipe pouring.Chin J Nonferrous Met,2009.19 [13]Ji HH,Wang B G,Wang D J,et al.Effect of arrangement of (5):869 staggered pin fins on heat transfer of rotating rectangular ducts. (杨小容，毛卫民，高冲.采用蛇形管通道浇注法制备半固态 Aerosp Power,1999,14(3):231 浆料.中国有色金属学报，2009,19(5)：869) (吉洪湖，王宝官，王代军，等.叉排扰流柱排列参数对旋转 [10]Wang D H,Zheng Y K,Li JG,et al.Comparison of corrosion 矩形通道对流换热特性的影响.航空动力学报，1999,14 behavior of ZL104 alloy at as-east and heat treatment states.Rare (3):231)
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