原标题：脉冲磁场对Mg-9Gd-3Y-0.5Zr-0.5Ag-0.1Zn合金热裂倾向性的影响

导读

Mg-Gd-Y系稀土镁合金是航空航天轻量化核心材料，但高稀土配比导致铸件热裂倾向性高，复杂构件成型难题突出。重庆大学联合多家国内外科研单位，创新采用脉冲磁场工艺调控合金凝固过程，精准确定最优工艺参数，有效愈合微裂纹、大幅降低热裂缺陷，为高端稀土镁合金铸件的规模化、复杂化生产提供了全新、高效的缺陷控制技术方案。

镁合金凭借低密度、高比强度、优良的减震导热性能，在航空航天、轨道交通、汽车制造等轻量化领域应用广泛。其中Mg-Gd-Y-Zr系稀土镁合金具备优异的高低温力学性能与抗蠕变性能，是国防军工高端结构件的优选材料。但该类合金凝固温度区间宽、凝固收缩量大，加之高稀土成分特性，导致铸造过程热裂倾向性极高。热裂作为镁合金致命铸造缺陷，会破坏铸件结构完整性，诱发疲劳失效，随着高端装备构件向大型化、一体化、复杂化发展，热裂缺陷已成为制约稀土镁合金产业化应用的关键瓶颈。传统成分优化手段改善效果有限，而磁场改性作为新型无损工艺，成为合金缺陷调控的研究热点，但目前针对Mg-Gd-Y系合金的脉冲磁场控裂机制研究仍较为匮乏。

基于解决高端稀土镁合金铸造热裂难题的迫切需求，重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心宋江凤教授团队，联合亥姆霍兹海荣研究中心、上海航天精密机械研究所、中国科学院金属研究所等多家国内外单位开展系统性试验研究，相关研究成果刊发于《特种铸造及有色合金》2026年第46卷第3期。该文以VW93-0.5Ag-0.1Zn稀土镁合金为研究对象，依托带脉冲磁场装置的T型铸造模具，定量表征不同磁场电压下合金热裂行为、微观组织与力学演变规律，完整阐明脉冲磁场抑制合金热裂的内在机理，为稀土镁合金铸造缺陷的绿色、高效调控提供了坚实的理论支撑与工艺指导。

该研究核心创新亮点显著，区别于传统成分改性、热处理改性手段，采用外场辅助的新型工艺，无需改变合金成分配比即可高效改善热裂缺陷；通过多梯度电压对照试验，精准锁定150 V、10 Hz为最优工艺参数，可最大程度降低合金热裂倾向性；从液相补缩、第二相形貌调控、晶粒细化三重维度揭示控裂机制，定量量化裂纹面积与晶粒尺寸变化，机理阐释清晰、数据支撑详实，且工艺操作简单、落地性强，适配工业规模化铸造生产。

01 试验材料与研究方案设计

研究以高纯金属及各类中间合金为原料，熔炼制备VW93-0.5Ag-0.1Zn试验合金，全程采用混合保护气氛杜绝熔体氧化。试验依托搭载脉冲磁场装置的T型铸模，分别设置0 V、100 V、150 V三组梯度磁场电压、固定10 Hz频率开展对照浇注试验，通过热电偶与载荷传感器同步采集凝固温度、收缩应力数据。同时制定标准化金相、SEM试样制备与腐蚀流程，借助专业测试设备与图像分析软件，完成热裂纹形貌、裂纹面积、晶粒尺寸的定量表征，保障试验数据的准确性与完整性。

图1　配有脉冲磁场装置的“T”型铸造模具示意图
1.浇道　2.热电偶　3.脉冲磁场发生器　4.交流电源　5.约束杆　
6.载荷传感器　7.电脑　8.试棒　9.模具

图2　T形铸锭取样位置以及SEM/OM试样形貌

02 脉冲磁场对合金热裂行为与凝固力学的影响

宏观形貌结果显示，无磁场工况下合金热节处完全断裂，热裂缺陷极其严重；随着磁场电压升高，裂纹逐步缩减，150 V电压下铸件无明显肉眼可见裂纹，控裂效果优异。力-温变化曲线印证宏观试验结果，无磁场时合金凝固初期出现剧烈应力释放，最终收缩力极低，证明热裂纹大面积萌生扩展；100 V工况下合金多次开裂，性能仍存在缺陷；150 V工况下无明显应力跌落，凝固结合性优异，抗热裂能力大幅提升。

图3　不同磁场电压下VW93-0.5Ag-0.1Zn合金热裂纹宏观形貌

图4　不同磁场电压下VW93-0.5Ag-0.1Zn合金的力-时间-温度曲线

03 脉冲磁场对液相补缩与第二相形貌的调控规律

微观表征结果表明，无磁场条件下裂纹周边无明显共晶补缩产物，熔体流动性差、补缩驱动力不足，裂纹无法愈合。施加脉冲磁场后，电磁力可有效驱动熔体流动，促进裂纹尖端共晶相富集，显著提升残余液相补缩能力，可完全愈合微小二次裂纹。同时磁场可改变第二相形貌，使其由原始骨骼状逐步转变为块状，优化微观组织结构，进一步阻断裂纹扩展路径。量化数据显示，100 V、150 V工况下合金裂纹面积大幅降低，150 V时裂纹面积达到最小值。

图5　不同磁场电压下VW93-0.5Ag-0.1Zn合金热节点处低倍SEM照片

图6　不同磁场电压下VW93-0.5Ag-0.1Zn合金的热裂纹面积

图7　不同磁场电压下VW93-0.5Ag-0.1Zn合金热节点处高倍SEM照片

04 磁场作用下合金晶粒细化演变特征

磁场处理可显著细化合金晶粒，有效改善凝固组织均匀性。无磁场时合金平均晶粒尺寸最大，施加磁场后晶粒尺寸大幅下降，100 V电压下晶粒细化效果最优，150 V电压下晶粒略有长大，但仍远优于无磁场试样。晶粒细化可有效分散凝固收缩应力，降低单位晶界的收缩应变，同时大幅增加晶界数量，晶界可作为天然屏障阻碍裂纹延伸扩展，从微观结构层面提升合金抗热裂性能。

图8　不同磁场电压下VW93-0.5Ag-0.1Zn合金光学显微组织和晶粒尺寸量化结果

05 合金热裂断裂机理分析

无磁场试样断口光滑无韧窝，呈现典型的脆性热裂特征，枝晶晶界间缺乏有效液膜补缩，枝晶结合力薄弱，凝固收缩应力作用下极易发生晶间分离、形成大面积热裂纹。结合液膜理论可知，凝固末期晶间液膜不足是合金热裂萌生的核心诱因，而脉冲磁场可通过优化液相分布、改善补缩效果，有效解决这一核心问题，从根源上抑制热裂纹的产生与扩展。

图9　磁场电压0 V下VW93-0.5Ag-0.1Zn合金断口处不同位置的SEM照片

06 主要结论

1. VW93-0.5Ag-0.1Zn稀土镁合金原生热裂倾向性极高，脉冲磁场辅助凝固工艺可显著改善合金热裂缺陷，150 V、10 Hz为最优工艺参数，控裂效果最佳。

2. 脉冲磁场可有效促进裂纹尖端共晶相富集，提升残余液相补缩能力，同时将骨骼状第二相转变为块状，优化微观组织，实现微裂纹愈合。

3. 脉冲磁场具备显著晶粒细化效果，可降低单位晶界凝固收缩应变，增加晶界数量，有效阻碍裂纹扩展，大幅提升合金抗热裂性能。

4. 磁场电压升高会使晶粒尺寸小幅增大，但晶界结构完整性仍优于铸态合金，可持续保障优异的抗热裂能力。

07 引用格式

中文：李春雨，宋江凤，廖金阁，郭鑫，刘艺，刘生庆，杨力祥，杨院生. 脉冲磁场对Mg-9Gd-3Y-0.5Zr-0.5Ag-0.1Zn合金热裂倾向性的影响［J］. 特种铸造及有色合金，2026，46（3）：338-344.

本文转载自：《特种铸造及有色合金》