导读：为制备Mg-RE合金铸件，本文提出了一种低频电磁搅拌辅助近液相线LFEMS-NSC挤压铸造方法。对比分析了传统重力铸造、挤压铸造和LFEMS-NSC工艺对工业纯Mg (CP-Mg)、包晶Mg- zr合金和共晶Mg-Gd合金的晶粒细化效果。结果表明，LFEMS-NSC对CP-Mg和Mg-Gd合金具有有效的晶粒细化效果。将传统的重力铸造或挤压铸造改为LFEMS-NSC铸造，CP-Mg的晶粒由粗柱状晶粒转变为细等轴晶。CP-Mg合金的平均晶粒尺寸由~10 mm细化到~232 μ m，与添加Mg-Zr中间合金的晶粒细化效率相当。LFEMS- nsc的晶粒细化机制主要是通过LFEMS熔体预处理和施加压力提高了自由冷晶存活率和非均相形核速率。
根据Hall-Patch强化关系，晶粒细化是提高Mg部件机械性能的关键因素。晶粒细化的途径一般可分为化学途径和物理途径。 化学路线利用合金元素形成可作为α-Mg异相成核位点的相。Mg-Zr中间合金长期以来一直被用作有效的晶粒细化剂，而对于含铝的镁合金，目前还没有研制出有效的晶粒细化剂。物理路线利用物理场，例如电磁搅拌和超声空化等，将枝晶臂重新熔化或破碎，形成更精细的晶粒。这两种途径都是基于镁合金凝固过程中促进形核和抑制晶粒生长的机制。在铸造过程中，铸造工艺、铸造参数、模具和原材料质量等诸多因素都会影响最终的显微组织。物理场搅拌与铸造方法的结合导致了半固态流变成型技术的发展。流变成形是在合金的液相线和固相线之间的温度下工作的过程，它赋予镁铸件良好的机械性能和较少的缺陷。
在此， 上海交通大学吴国华研究员团队在目前的工作中提出了一种新工艺，称为低频电磁搅拌辅助近液相线挤压铸造（LFEMS-NSC），该工艺利用低频电磁场对合金熔体进行预处理，以防止局部凝固。 这项工作旨在评估新的LFEMS-NSC工艺对商业纯镁、二元Mg-Zr合金和 Mg-RE合金的晶粒细化效果，比较传统重力铸造（GC）、挤压铸造（SC）和LFEMS-NSC的晶粒细化效果，讨论 LFEMS-NSC 对镁合金细化效果的基础机制，并简要总结可能的应用和局限性。该工作将为制造具有精细微观结构和高机械强度的镁铸件提供可能的解决方案。相关研究成果以题“A novel process for grain refinement of Mg-RE alloys by low frequency electro-magnetic stirring assisted near-liquidus squeeze casting”发表在金属顶刊Journal of Materials Processing Technology上。
链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924013622000498#fig001
LFEMS-NSC工艺可以有效细化CP-Mg中初生Mg相的显微组织，即使在没有溶质元素和晶粒孕育元素的情况下，铸态显微组织也能从Mg中粗大的柱状晶转变为细的等轴晶。 采用GC和SC工艺的CP-Mg铸件横截面中传统的典型铸态三个区域的显微组织通过LFEMS-NSC工艺被均匀分布的细等轴晶粒取代。
通过在GC、SC和LFEMS-NSC铸锭中添加Zr溶质含量，二元Mg-Zr合金的晶粒尺寸不断细化。LFEMS-NSC 和 SC 工艺在 Mg-0.3Zr 和 Mg-0.5Zr 合金中从铸锭的中心到半半径和边缘区域显示出相当的晶粒细化效果。LFEMS-NSC 和 SC 加工的二元 Mg-Zr 合金铸件的晶粒尺寸比 GC 铸件加工的细。
图 1。显示近液相线挤压铸造工艺的示意图。各种工艺代表：（a）合金的熔化和提纯，（b）通过LFEMS进行熔体预处理，（c）预处理合金熔体的浇注，（d）滑块向下并施加压力进行凝固，以及（e）滑块向上和铸件分别注入。标记的数字标记代表：1. 电阻炉 2. 勺 3. 镁合金熔体 4. LFEMS 设备 5.模腔 6. 背板 7. 回拉通道 8. 拉后缸 9、上模固定板 10、冲头11、铸锭 12、插入式热电偶固定孔。
图 2。GC、SC和NSC加工的CP-Mg铸造圆柱钢锭的宏观组织和显微组织（中心、半半径和边缘区域） 。
图 3。通过GC、SC和NSC处理的CP-Mg铸锭不同位置的各种晶粒结构中心等轴、柱状和表面等轴晶粒区域的量化 (a) 面积分数和 (b)平均晶粒尺寸。
图 4。GC、SC、NSC加工的Mg- 0.3Zr合金铸锭的宏观组织和显微组织（中心、半半径和边缘区域） 。
图 5。GC、SC和NSC加工的Mg-0.5Z铸造圆柱钢锭的宏观组织和显微组织（中心、半半径和边缘区域） 。
图 6。分别通过 GC、SC 和LFEMS-NSC处理的（a）Mg-0.3Zr 和（b）Mg-0.5Zr 合金的中心、半半径和边缘区域的平均晶粒尺寸。
图 7。GC、SC、NSC加工的Mg- 5Gd合金铸锭的宏观组织和显微组织（中心、半半径和边缘区域） 。
图 8。GC、SC、NSC加工的Mg- 10Gd合金铸锭的宏观组织和显微组织（中心、半半径和边缘区域） 。
图 9。分别通过GC、SC和LFEMS-NSC处理的（a）Mg-5Gd和（b）Mg-10Gd合金的中心、半半径和边缘区域的平均晶粒尺寸。
图 10。示意图显示了在不同的铸造工艺中核的形成。
图 11。计算出的纯Mg临界核半径与凝固过程中施加和不施加压力的形核过冷度的函数关系。
图 12。分别通过GC、SC和NSC处理的合金元素 (a) Zr和 (b) Gd对铸锭半半径处平均晶粒尺寸的分析。
在二元 Mg-Gd 合金中，随着GC、SC和LFEMS-NSC铸锭中Gd溶质含量的增加，晶粒尺寸也不断细化。GC Mg-5Gd合金中柱状晶粒的面积分数在SC样品中减小，在LFEMS-NSC样品中消失。在GC、SC和LFEMS-NSC工艺中，Mg-5Gd和 Mg-10Gd 合金的平均晶粒尺寸在中心和半半径区域不断细化。SC和LFEMS-NSC工艺中边缘区域的晶粒尺寸相当，它们比GC铸锭更细。
LFEMS- nsc过程的晶粒细化机制主要是在接近液相线的温度和压力条件下，LFEMS熔体预处理提高了自由冷晶存活率和非均相形核率的共同作用。