通过亚快速凝固条件下的短流程垂直双辊铸造技术改善3102D铝合金的微观结构

《Journal of Alloys and Compounds》：Improving Microstructures of 3102D Al Alloy via Short-process Vertical Twin-roll Casting under Sub-rapid Solidification

高速垂直双辊铸造制备3102D铝合金带材，对比慢速冷却锭的微观结构演化。研究发现高速冷却（>103 K/s）显著细化晶粒（达5-10μm），降低溶质偏析系数至0.02以下，同时带材边缘与中心析出相呈现梯度差异：边缘形成球状α-Al(Mn,Fe)Si，中心析出网络状β-Al(Mn,Fe)Si。该工艺为铝合金薄板精密调控提供了新路径。

　　

刘立刚|袁帅杰|王万林|刘佩生

中南大学冶金与环境学院，中国湖南长沙410083

摘要

采用高速垂直双辊铸造（VTRC）工艺在亚快速凝固条件下制备了3102D铝合金铸带，其边缘表面的冷却速率超过1×103 K/s，并系统地将其微观结构特征与缓慢冷却的铸锭进行了比较。通过多种表征技术分析了不同冷却速率下样品的凝固结构、元素分布和析出相，以阐明亚快速凝固对微观结构演变的影响。结果表明，VTRC过程中的高冷却速率显著细化了晶粒并有效减少了溶质偏析，改善程度取决于各合金元素的热物理性质。此外，VTRC铸带的析出行为与缓慢冷却的铸锭不同。在缓慢冷却的铸锭中，粗大的β-Al(Mn,Fe)Si析出物呈块状-树枝状分布，而Al?(Mn,Fe)析出物呈片状，主要沿晶界形成。相比之下，高冷却速率下的铸带样品表现出区域依赖性的析出行为：铸带边缘出现细小的α-Al(Mn,Fe)Si析出物（呈孢子状和短棒状），而铸带中心则形成细化的β-Al(Mn,Fe)Si析出物网络。这些发现表明，高速VTRC过程中的亚快速凝固不仅改善了晶粒尺寸和成分均匀性，还促进了更细小、更分散的析出相的形成，为优化铝合金铸带的微观结构和性能提供了一种有前景的短流程方法。

章节摘录

引言

3XXX系列铝合金是一种Al-Mn合金，具有低密度、高导热性和优异的机械性能。它广泛应用于汽车和航空航天领域，以及食品和饮料包装，特别是饮料罐和换热器翅片[1]、[2]。此外，这种铝合金具有出色的延展性，可以通过深拉伸等变形加工制成箔材或复杂形状的产品。

A. 实验装置和程序

本研究使用3102D铝合金作为原料，制备了亚快速凝固铸带和缓慢冷却铸锭。合金的详细化学成分见表1。

中南大学（CSU）开发了一套实验室规模的VTRC试验线用于生产3102D铝合金铸带。试验线的示意图和主要组件如图1(a)所示。该系统包括一个感应炉

A. 铸带样品和缓慢冷却样品的凝固微观结构

图3(a)展示了通过VTRC工艺制备的3102D铝合金铸带的凝固微观结构，与图3(b)中缓慢冷却铸锭的微观结构有明显差异。缓慢冷却的铸锭具有均匀分布的粗大等轴晶粒，而铸带样品在中心区域形成了明显的“等轴晶粒区”。相比之下，靠近两表面的区域则以发育良好的柱状晶粒为主。

结论

本研究采用实验室规模的垂直双辊铸造（VTRC）试验线制备了3102D铝合金铸带，并从微观结构演变、元素偏析和析出行为的角度对其与缓慢冷却铸锭进行了系统比较。通过EBSD、TEM和EPMA等详细表征手段，揭示了3102D铸带独特的凝固结构，并讨论了亚快速凝固的影响。

作者贡献声明

刘佩生：撰写 – 审稿与编辑、方法学、资金获取、数据管理、概念构思。王万林：监督、资源提供、项目管理、资金获取。袁帅杰：实验研究。刘立刚：撰写 – 原稿撰写、数据可视化、方法学研究、资金获取、数据分析。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：刘佩生报告获得了中国国家自然科学基金的支持；王万林报告获得了中国国家自然科学基金的支持；刘佩生还获得了湖南省自然科学基金的支持；刘立刚报告获得了中南大学的支持。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52130408、52304361）、湖南省自然科学基金（项目编号2023JJ40737）以及中南大学研究生自主探索研究创新项目（项目编号1053320222054）的财政支持。