针对传统径流结构石墨转子熔炼的A356合金存在成分均匀性差的弊端，开发了一种新型混流结构石墨转子，通过Fluent仿真方法研究了不同转子转速（350，450 r·min−1）和不同转子底部与熔池底部的距离（轴流式叶轮直径的1/4和1/2，即10,20 mm）下，该石墨转子搅拌铝液的流场特性，确定了最优的熔炼工艺参数。采用该混流结构石墨转子制备A356合金铸件，利用单因子方差统计分析法分析了元素分布均匀性，观察其显微组织，并与传统径流结构石墨转子熔炼得到的合金进行对比。结果表明：当转子底部与熔池底部的距离为20mm、转子转速为350r·min−1时，铝液中产生漩涡，可有效地消除铝液在熔池底部的沉积，并在熔池内形成良性循环流动。采用混流结构石墨转子熔炼的铝合金铸件试样间和试样内各元素含量位于显著性水平α=0.05置信区间，无显著差异，铸件成分均匀；铸件组织中共晶硅尺寸细小，球化显著，未见长条状共晶硅，共晶硅变质充分，硅相在α-Al晶界处分布均匀。采用传统径流结构石墨转子熔炼得到的铝合金铸件成分不均匀，组织中存在长条状共晶硅，共晶硅变质不充分，硅相在α-Al晶界处分布不均匀。
01、研究背景
A356铸造铝合金具有密度小、强度高、流动性能好等优点，广泛用于汽车领域中轮毂、发动机壳体、连杆等零件的制造，以满足轻量化环保的要求。熔炼工艺对铝合金铸件成分均匀性影响很大，为提高铸锭质量，从国外引入了多种铝合金熔炼装置，而在这些装置中石墨转子作为关键部件，起着非常重要的作用：一方面，气体熔剂通过石墨转子导入铝熔池，破碎成细小气泡并向四周分散；另一方面，搅拌铝熔体使成分均匀分布。目前，国内普遍采用径流结构石墨转子熔炼A356合金，但是该结构石墨转子形成的轴向流动较弱，铝熔体均匀分散效果较差，制备的铝合金铸锭成分偏析严重，不同批次铸件的性能出现较大的波动，工艺稳定性差。铝合金铸件成分的均匀性水平直接影响铝合金零件的最终质量，因此，迫切需要进行新型石墨转子结构的创新，以改善铸件的成分均匀性。
针对熔炼装置中传统径流结构石墨转子存在搅拌死角，导致不同批次铝轮毂成分均匀性出现较大差异的问题，作者设计了一种新型混流结构石墨转子，并借助于流体力学理论对该新型石墨转子的流场特性开展研究，确定了最优的转子转速及位置参数；在此基础上，采用混流结构石墨转子进行了A356合金的熔炼试验，研究了铝合金铸件各元素分布的均匀性，以期为新型石墨转子的研制以及铝合金熔炼工艺的深入研究提供试验参考。
02、研究亮点
1、 新型石墨转子的研发及工艺参数优化
本章节重点介绍了新型混流结构石墨转子的研发及其工艺参数优化。研发的新型转子由两个轴流式叶轮和一个径流式叶轮组成，旨在解决传统径流结构石墨转子搅拌死角的问题。新型转子通过优化叶轮结构和参数设置，提高了铝液的升力和循环流动，从而实现成分均匀化。章节还详细描述了采用ANSYS FLUENT软件对熔池流场进行模拟的过程，分析了不同工艺参数下铝液的流速分布，最终确定优选工艺参数为转子底部与熔池底部距离为20mm，转子转速为350r/min。
仿真得到2#工艺下铝液的轴向截面速度分布 (x=0，y=0)
2 、试样制备与试验方法
本章节介绍了A356合金试样的制备和试验方法，包括使用立式电阻熔炼炉熔炼合金，使用两种不同结构的石墨转子进行试验，以及变质剂Al-10Sr的添加。试样制备后，通过切割、加工获得片状试样，并使用电感耦合高频等离子体原子发射光谱仪和电子探针分析元素分布均匀性及微观成分。同时，采用金相试样和光学显微镜观察显微组织。
3 、试验结果与讨论
本章节主要讨论了利用传统径流结构石墨转子和混流结构石墨转子熔炼A356合金的试验结果。结果显示两种转子熔炼的合金元素含量均符合规定范围，但混流结构转子熔炼的合金元素分布更均匀，无显著差异。此外，混流结构转子熔炼的合金显微组织中未见长条状共晶硅，共晶硅变质更充分，且硅、镁、钛和锶等元素在微观上的分布更均匀。
采用不同结构石墨转子熔炼得到 A356 合金的元素线扫描位置和结果
03、研究结论
（1）由流体仿真得到当转子底部与熔池底部之间的距离为叶轮直径1/2、转子转速为350r · min−1时，开发的混流结构石墨转子可有效避免进液区与出液区流场的互相干涉，铝液在径向、切向和轴向形成了良性立体循环流动。
（2）采用混流结构石墨转子熔炼的铝合金铸件试样间和试样内各元素含量无显著差异，铸件成分均匀，而传统径流结构石墨转子熔炼得到的铝合金铸件试样间和试样内各元素含量存在显著差异，成分不均匀。
（3）采用混流结构石墨转子熔炼的铝合金组织中共晶硅尺寸细小，球化显著，未见长条状共晶硅，共晶硅变质更充分，硅相在α-Al晶界处分布均匀；而利用传统径流结构石墨转子熔炼得到的合金组织中则存在长条状共晶硅，共晶硅变质不充分，硅相在α-Al晶界处分布不均匀。
《机械工程材料》创刊于1977年，由上海材料研究所有限公司主办，为中国机械工程学会材料分会会刊，是公开发行的有关工程材料的应用类技术期刊，是中文核心期刊、中国科学技术论文统计源期刊、中国科学引文数据库（CSCD）来源期刊、RCCSE中国核心学术期刊、中国科技核心期刊，并被中国学术期刊综合评价数据库、《中国期刊网》、《中国学术期刊（光盘版）》、CA、SA和PЖ等收录。荣获“华东地区优秀期刊奖”等荣誉称号，入选《世界期刊影响力指数（WJCI）报告（2020科技版）》、“《机械工程领域高质量科技期刊分级目录（第二版）》T3级期刊”。报道范围包括金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料及其复合材料的研究和综合述评；栏目包括综述、试验研究、材料性能及应用、新材料及新工艺、物理模拟和数值模拟、纳米材料、残余应力、材料基因组用数据库和大数据技术、材料测试新技术、材料失效分析及预测、材料科技信息等。内容涵盖机械、冶金、电气、航空航天、石油化工、仪器仪表、交通运输、船舶海洋等所有涉及材料研究的工程技术。可供与材料生产研究相关的企业、院校和研究单位的科研与技术人员、管理人员、师生等阅读参考。
来源：机械工程材料
关键词：
石墨转子
A356合金
均匀性
