本研究是我国“863”高科技发展计划项目“超高强度高韧性铝合金的研究开发和产业化”的前期工作，目的是为后续工序提供不同规格高质量的高合金化Al-Zn-Mg-Cu-Zr铸锭。　　理论分析表明，采用较低频率的电磁场及配合适当的强度，不但能增大熔体表层的电磁力的有势分量，使熔体形成弯月面，减小其与结晶器的接触压力与接触面积，改善铸锭表面质量;而且能增大熔体内部电磁力的有旋分量，产生强制对流，使整个熔体的温度场和溶质场趋于均匀;更重要的是，整个熔体能够在较强的且相对比较均匀的电磁场作用下凝固，达到电磁场调控凝固组织的目的。　　数值模拟4号合金Φ270mm铸锭低频电磁铸造过程结果表明，当线圈电流强度一定时，频率越高，铸锭内磁感应强度由边部向中部衰减的速度越快，而当频率一定时，铸锭内不同部位的磁感应强度随电流强度成比例地增加。当电磁场频率较高时，通过增加电流强度来增加铸锭中部的磁感应强度是比较困难的。适当地降低频率和增加电流强度可以在铸锭内获得比较均匀且强度较高的磁感应强度。适当地增加频率或电流强度有利于获得高的弯液面高度和弧度。相对于DC铸造，低频电磁铸造过程中高温熔体进入结晶器后，只有极少量的熔体继续向下运动，而大部分熔体在电磁场的作用下发生强制偏转，形成强制对流，使整个溶质场和温度场趋于均匀。电磁铸造频率过低，强制对流作用较弱，而频率过高，熔体内形成两个环状强制对流，它们的温度场都不是很均匀，液穴较深。当电磁场频率为15Hz，安匝数为9000At时，低频电磁铸造Φ270mm铸锭铸造过程中宏观温度场最为均匀。　　形核机理研究结果表明，熔体内碰撞形核和结晶器壁晶粒游离是低频电磁铸造晶核的主要来源。电磁场作用下，熔体内局部形成磁过冷区，增加了原子团簇的大小和数量，这些原子团簇在热运动过程中与基底合金相Al3Zr碰撞形核的几率增加，形核数目增多;电磁场产生的强制对流将边部含有晶核的低温熔体带到结晶器中部，也增加了形核的数目。形核数目增加是低频电磁铸造微观组织细化的根本原因。　　晶粒长大机制研究结果表明，晶粒先呈球形长大，然后呈枝晶长大。球形长大不稳定波长为:λ=2π√Γ/∑i-mic0i/am(B)Di/v(1-ki)-R+E2(f)/L(1/RSCS-1/RLCL)-G1适当地增加低频电磁场强度和减小频率有利于增加不稳定波长，使晶粒球形生长阶段延长，有利于球形或近球形组织的获得。　　低频电磁场增加合金元素晶内含量机理研究结果表明，固液前沿熔体中溶质原子的扩散激活能减小幅度大于在晶内的扩散激活能减小幅度，增加了进入晶内的溶质原子数;电磁场增加了溶质分配系数;温度场和溶质场均匀，形核数目多，晶粒呈各向同性的球形生长，降低了枝晶间偏析，单个晶粒生长空间小，排出的溶质元素少。　　开发了超高强高韧合金低频电磁半连续铸造工艺，结果表明，适当地降低电磁场频率和增加电磁场强度，有利于细化DC铸锭组织、提高合金元素晶内含量、提高铸态力学性能、改善铸锭表面质量和避免裂纹。采用电阻率高的钛合金和不锈钢结晶器能够大幅度地减小电磁场在结晶器中的涡流损耗，提高磁利用率。实验范围内，低频电磁铸造1、2和3号合金Φ100mm铸锭的最佳工艺为:频率为25Hz，安匝数12800～16000At，钛合金结晶器，浇注温度710℃，铸造速度100mm/min，冷却水流量0.05m3/min。在此最佳工艺条件下，1、2和3号合金Φ100mm铸锭边部和中部的铸态组织细小均匀，呈细小的蔷薇型和近球形或球形，平均晶粒尺寸为20～50μm;铸锭表面光洁，消除了冷隔和表面偏析瘤;1、2和3号合金铸锭中部Zn的相对晶内含量为75～65％，Mg为72～66％，Cu为45～40％;1、2和3号合金铸锭的拉伸强度极限为340～360MPa，延伸率为0.8～1.2％。实验范围内，低频电磁铸造1号合金Φ200mm铸锭最优电磁场参数为:电磁场频率为15～25Hz，安匝数为18000～20000At。当频率为25Hz，安匝数为18000At时，1号合金Φ200mm铸锭边部和中部组织均匀细小，呈细小的蔷薇型和近球形或球形，平均晶粒尺寸分别为30和55μm;未发生裂纹;铸锭表面光洁，消除了冷隔和基本消除了表面偏析瘤;频率为25Hz，安匝数为20000At时，铸锭横截面1/2半径处Zn、Mg和Cu元素相对晶内含量最高，分别为68.8、76和45％;频率为25Hz，安匝数为20000At时，拉伸强度极限最高为324MPa，合金元素Zn、Mg和Cu的宏观偏析率分别为0.051、0.032和0.065。实验范围内，低频电磁铸造4号合金Φ270mm铸锭最优电磁场参数为:电磁场频率为15Hz，安匝数为9000At。在此条件下，铸锭边部和中部组织均匀细小，呈细小的蔷薇型和近球形或球形，边部和中部的平均晶粒尺寸分别为34和45μm;铸锭中部Zn、Mg和Cu的相对晶内含量分别为66.7、71.3和39％;未发生裂纹;铸锭表面光洁，消除了铸锭表面的冷隔，基本消除了表面偏析瘤;铸锭中部和边部维氏硬度分别为76.3和86.1;Zn、Mg和Cu的宏观偏析率分别为0.032、0.090和0.152。　　在低频电磁铸造的基础上，开发了低频电磁振荡铸造Φ270mm铸锭工艺，获得了质量更高的铸锭。实验范围内，最优电磁场参数为:交流线圈安匝数和频率分别为9000At和22Hz，直流线圈安匝数为14300At。在此条件下，铸锭边部和中部组织均匀细小，呈细小的蔷薇型和近球形或球形，铸锭边部和中部的平均晶粒尺寸分别为40和51μm;铸锭中部Zn、Mg和Cu的相对晶内含量分别为77.1、75.8和44.5％;未发生裂纹;铸锭表面光洁，消除了铸锭表面的冷隔和表面偏析瘤;铸锭中部和边部维氏硬度分别为79.9和84.2;Zn、Mg和Cu的宏观偏析率分别为0.021、0.076和0.066。交流磁场频率为22Hz时，对于一定强度的交流磁场，匹配与其大小相等的直流电磁场强度，有利于获得细小均匀的组织和低的宏观偏析。　　后续工艺研究表明，通过低频电磁铸造制备铸锭来获得超高强度高韧铝合金是可行的。低频电磁铸造1、2和3号合金Φ100铸锭经均匀化、挤压和热处理后，拉伸强度极限均高于750MPa，延伸率大于9％。