超聲預(yù)處理對ZL205A鋁合金鑄件凝固組織的影響

曹飛，蔣日鵬，李曉謙，李瑞卿，董方

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超聲預(yù)處理對ZL205A鋁合金鑄件凝固組織的影響

曹飛1，蔣日鵬2，李曉謙1，李瑞卿2，董方2

(1. 中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙，410083；2. 中南大學(xué) 輕合金研究院，湖南 長沙，410083)

在液相線以上不同的溫度對ZL205A鋁合金熔體施加超聲預(yù)處理后進(jìn)行澆鑄，研究在液相高溫區(qū)段對ZL205A鋁合金熔體施加超聲預(yù)處理后對其鑄件凝固組織的影響，探索超聲預(yù)處理ZL205A鋁合金熔體對其鑄件凝固組織影響的作用機(jī)制。研究結(jié)果表明：超聲波作用于ZL205A鋁合金熔體高溫液相區(qū)段能有效減少其鑄件凝固組織的氣孔，細(xì)化其鑄件的凝固組織，且這種細(xì)化效果隨著超聲施振溫度的提高而減弱。超聲空化促進(jìn)Al3Ti的形成和分布，提高形核率是超聲預(yù)處理ZL205A鋁合金熔體改善其鑄件凝固組織的主要機(jī)制。

ZL205A鋁合金；超聲場；凝固組織；空化

ZL205A鋁合金作為我國自主研制的鋁?銅高強(qiáng)度鑄造鋁合金，具有良好的強(qiáng)度、韌性和抗蝕性，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗?，還具有機(jī)械加工性好，塑性和表面處理性能優(yōu)良等特點(diǎn)，可以滿足目前航空航天和軍品市場上的大部分要求[1?5]。但是ZL205A鋁合金固液相線溫差大，在凝固初期形成α相會以粗大枝晶形式存在，在凝固末期被分割的小熔池發(fā)生共晶反應(yīng)形成 α+Al2Cu，導(dǎo)致鋁合金在凝固過程中容易產(chǎn)生偏析、疏松、氣孔等缺陷，這對于鑄件的斷裂韌性、疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕開裂等均有較大的影響，導(dǎo)致ZL205A成形成性困難，制約著ZL205A合金的廣泛應(yīng)用[6?7]。因此，優(yōu)化傳統(tǒng)鑄造工藝，開發(fā)先進(jìn)的鑄造技術(shù)，對于改善熔體凝固條件、細(xì)化鑄件凝固組織、減小鑄造缺陷、提高產(chǎn)品的各項(xiàng)性能具有重要意義。超聲波作為一種高頻聲波，在熔體傳播過程中會產(chǎn)生空化、聲流、機(jī)械沖擊、輻射壓力等非線性效應(yīng)[8?12]，其作為一種綠色環(huán)保的輔助鑄造工藝手段，近年來得到了國內(nèi)外研究學(xué)者廣泛的關(guān)注。ATAMANENKO 等[13?15]研究發(fā)現(xiàn)在鋁合金鑄造過程中施加超聲波能有效細(xì)化鑄件凝固組織，減少縮孔、縮松和裂紋等缺陷，有效改善鑄件的力學(xué)性能；李曉謙等[16?18]通過將超聲振動引入到鋁合金的鑄造中，改善了鑄坯的凝固組織和性能。目前關(guān)于超聲輔助鑄造的研究主要集中在超聲直接作用于金屬凝固成形和超聲外場調(diào)控機(jī)理等方面的研究。實(shí)際的ZL205A鋁合金熔體鑄造過程中，為保證澆鑄過程中鋁液的流動性，一般需在液相線以上較高的溫度澆鑄，而且實(shí)際澆鑄的模具比較復(fù)雜，超聲無法直接作用于金屬凝固成形，制約著該技術(shù)在澆鑄件領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，本文作者通過探索超聲預(yù)處理高溫ZL205A鋁合金熔體，即在ZL205A鋁合金熔體澆鑄之前對其施加超聲處理，研究超聲預(yù)處理對鑄件凝固組織的影響和作用機(jī)制，為提高ZL205A鋁合金鑄件的品質(zhì)提供新的工藝方法。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料選自工業(yè)鑄造用的ZL205A坯錠，使用SPECTRO?MAX直讀光譜儀測得實(shí)驗(yàn)用材料的合金平均成分如表1所示，合金的液相線溫度為633 ℃[19]。

表1 實(shí)驗(yàn)用ZL205A合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備如下：超聲波發(fā)生器1臺，其輸出功率檔位連續(xù)可調(diào)，最高功率為2 kW，輸出頻率為 (20±0.5) kHz；超聲波振動系統(tǒng)1套，包括 PZT壓電陶瓷換能器、45號鋼變幅桿和鈦合金工具桿；輔助設(shè)備為電阻絲加熱爐及溫度控制記錄儀、液壓式位移操作臺、K型熱電偶、Leica 臺式金相顯微鏡、TESCAN掃描電鏡、Oxford能譜儀和EPMA?JXA?8230 型電子探針分析儀。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)所使用的材料均取自符合表1所示成分的ZL205A坯料。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。將3 kg ZL205A鋁合金坯錠置于特制坩堝中并放入電阻爐中，將熔體溫度升至(730±5) ℃，在此溫度保溫10 min后進(jìn)行扒渣處理。然后對鋁熔體進(jìn)行超聲處理，在離坩堝壁/2的位置放置K型熱電偶，實(shí)時測量實(shí)驗(yàn)過程中鋁熔體的溫度，為了避免冷的工具頭的激冷效應(yīng)，將超聲工具頭預(yù)熱至(600±10) ℃，實(shí)驗(yàn)過程中將工具頭浸入鋁熔體液面以下10 mm，在施加超聲過程中當(dāng)熔體溫度降至目標(biāo)溫度時，將鋁熔體立即澆鑄到預(yù)熱到(500±10) ℃的鋼模(直徑×長度為30 mm×60 mm)中。對照實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)熔體溫度升至(730±5) ℃時，將預(yù)熱到(600±10) ℃的工具頭(未振動)浸入到鋁熔體液面以下10 mm，當(dāng)鋁熔體溫度降至與施加超聲振動時設(shè)定的目標(biāo)溫度時，將鋁熔體立刻澆鑄到與上述同樣預(yù)熱條件的鋼模中。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的目標(biāo)溫度為720，710，700和680 ℃。將實(shí)驗(yàn)澆鑄所得的樣品在距鑄件底部30 mm的位置進(jìn)行取樣，經(jīng)過研磨和拋光，使用Keller試劑進(jìn)行浸蝕處理，樣品經(jīng)過沖洗、拭干和標(biāo)記后，使用Leica金相顯微和掃描電鏡(SEM)等觀測分析凝固組織的特征。

(a) 超聲振動系統(tǒng)；(b) 實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 超聲預(yù)處理ZL205A鋁熔體對其鑄件氣孔分布的影響

未施加超聲預(yù)處理(NUT)和施加超聲預(yù)處理(UT)得到的鑄件取樣并按JB/T 7946.3—1999標(biāo)準(zhǔn)分析處理后得到的鑄件凝固組織宏觀形貌如圖2所示，圖2(a)和2(b)所示分別為NUT和UT在720 ℃得到的鑄件凝固組織。由圖2(a)和2(b)可知：NUT得到鑄件較多的針孔缺陷，而UT得到的鑄件氣孔缺陷顯著減少。按標(biāo)準(zhǔn)判定在720 ℃NUT得到的鑄件針孔度為5級，UT在720 ℃得到的鑄件針孔度為3級。UT作用到710 ℃和700 ℃時得到的鑄件凝固組織如圖2(c)和2(d)所示，可以看到除氣效果比UT作用到720 ℃時稍差，按標(biāo)準(zhǔn)判定UT在710 ℃和700 ℃得到的鑄件針孔度為 4級。

由于溶入鋁熔體中的氣體絕大部分是氫，約占鋁熔體中氣體的80%以上[20]，所以，鋁熔體除氣的過程可以近似為除氫的過程。超聲處理ZL205A鋁合金熔體時，熔體中存在的氣體(如吸附在一些氧化物顆粒缺陷處的氣體或熔體中存在的氣體)等會成為空化核，空化泡會在空化核上形成和長大。空化泡在超聲聲壓輻射力的交替作用下處于不斷膨脹和收縮的脈動擴(kuò)散運(yùn)動狀態(tài)，在空化泡膨脹的階段，研究表明空化泡半徑會膨脹幾十甚至上千倍[8]，其體積會以半徑的3次方增加，在不發(fā)生擴(kuò)散和絕熱的情況下由理想氣體狀態(tài)方程知其內(nèi)部的氣體壓強(qiáng)必然驟降，空化泡內(nèi)的瞬時氣壓g會遠(yuǎn)小于熔體中平衡氣泡內(nèi)的氣壓H(這里將熔體中的氣泡視為H2)。溶解于熔體中的氣體會由于分壓差作用擴(kuò)散到空化泡內(nèi)；同時鋁熔體中的氫原子會從熔體中經(jīng)擴(kuò)散到達(dá)鋁熔體與空化泡交界層，超聲空化產(chǎn)生的微射流和聲流效應(yīng)會促進(jìn)熔體中氫原子的擴(kuò)散，膨脹的空化泡壁面會為這些氫原子提供大量的附著點(diǎn)，在交界層靠近空化泡的一側(cè)的氫原子會結(jié)合成氫分子，隨后從空化泡壁脫離進(jìn)入到空化泡內(nèi)，這2種除氫機(jī)制如圖3(a)所示。上述吸附氫氣長大的空化泡會相互吸附團(tuán)聚形成更大的氣泡最終漂浮至熔體表面逸出，達(dá)到除氣目的，這一過程如圖3(b)所示。所以，經(jīng)過超聲預(yù)處理后的鋁熔體氫含量會降低，其鑄件凝固組織中的氣孔會大量減少。由于溫度會影響鋁熔體的黏度，且溫度越低鋁熔體的黏度越高，熔體黏度的增加不但會阻礙超聲空化泡的脈動擴(kuò)散運(yùn)動、團(tuán)聚和上浮，而且熔體中氫原子的擴(kuò)散速率也會降低，因而降低了氫原子擴(kuò)散進(jìn)入空化泡的速率，所以，超聲的除氣效果會隨著處理溫度的降低而有所減弱。

(a) NUT，720 ℃澆鑄；(b) UT，720 ℃澆鑄；(c) UT，710 ℃澆鑄；(d) UT，700 ℃澆鑄

2.2 超聲預(yù)處理ZL205A鋁熔體對其鑄件凝固組織的影響

圖4和圖5所示分別為ZL205A鋁合金熔體NUT與UT后得到的鑄件凝固組織和平均晶粒粒徑。圖4(a)~(d)所示為ZL205A鋁合金熔體NUT條件下分別在720，710，700和680 ℃澆鑄得到的鑄件凝固組織；圖4(e)~(h)所示為ZL205A鋁合金熔體UT條件下分別在720，710，700和680 ℃澆鑄得到的鑄件凝固組織。從圖4可以看到：NUT得到的鑄件凝固組織呈粗大的近等軸晶粒狀分布，而經(jīng)UT得到的鑄件凝固組織表現(xiàn)為全區(qū)更加細(xì)小的等軸晶粒狀分布。由圖5可以看到：NUT得到的鑄件平均晶粒粒徑隨著澆鑄溫度的升高而增大，在相同澆鑄溫度下，經(jīng)UT后，鑄件平均晶粒粒徑較NUT明顯減小。

當(dāng)超聲施加在ZL205A鋁合金熔體液相高溫區(qū)段時，超聲在熔體中傳播產(chǎn)生的空化效應(yīng)會提高鋁熔 體中的異質(zhì)顆粒與鋁液的潤濕性，使這些顆粒成為形核質(zhì)點(diǎn)，提高鋁熔體凝固過程中的形核率[9]；超聲 空化過程中空化泡潰滅產(chǎn)生的高壓依據(jù)Clausius Clapeyron方程[21]可知鋁熔體和一些金屬間化合物如A13Ti和Al6Mn的熔點(diǎn)會升高，間接提高過冷度促進(jìn)形核，空化泡在膨脹的過程中其表面溫度降低產(chǎn)生的局部過冷也會促進(jìn)金屬間化合物如A13Ti的形核與生長。但在較高的溫度下，超聲活化的異質(zhì)顆粒以及由上述超聲空化產(chǎn)生的形核質(zhì)點(diǎn)如A13Ti相會逐漸溶解而相對減少?？梢酝茰yZL205A鋁合金熔體在UT后其澆鑄件的形核率變化導(dǎo)致了其凝固組織晶粒尺寸的差異。由圖4和圖5可知：隨著超聲處理熔體溫度升高，晶粒細(xì)化效果逐漸減弱。

(a) 氣泡膨脹除氫；(b) 氣泡團(tuán)聚上浮

(a) 720 ℃，NUT條件下澆鑄；(b) 710 ℃，NUT條件下澆鑄；(c) 700 ℃，NUT條件下澆鑄；(d) 680 ℃，NUT條件下澆鑄；(e) 720 ℃，UT條件下澆鑄；(f) 710 ℃，UT條件下澆鑄；(g) 700 ℃，UT條件下澆鑄；(h) 680 ℃，UT條件下澆鑄

1—未超聲預(yù)處理；2—超聲預(yù)處理。

由于Al3Ti與Al基體有著良好的晶格匹配關(guān)系，在鋁熔體凝固過程中有著很強(qiáng)的形核能力[22]，且本實(shí)驗(yàn)中鋁熔體Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.24%，由Al-Ti二元相圖[23]知Al3Ti液相線為710 ℃左右，結(jié)合本文實(shí)驗(yàn)的溫度條件分析認(rèn)為可能是UT影響A13Ti在鋁熔體中的形成和分布導(dǎo)致最終細(xì)化效果的差別。為此通過掃描電鏡(SEM)觀察了不同條件下ZL205A鋁合金鑄件的凝固組織圖，并對凝固組織中的異質(zhì)顆粒進(jìn)行了能譜分析(EDS)，如圖6所示。從圖6(e)和6(f)的能譜結(jié)果可知：這些異質(zhì)顆粒Al和Ti物質(zhì)的量比接近4:1，若將顆粒粒徑、電子束尺寸等因素考慮在內(nèi)，實(shí)際原子比應(yīng)該接近3:1，即這種異質(zhì)顆粒為Al3Ti，如圖6(a)~6(d)所示。當(dāng)NUT在720 ℃對鋁合金熔體進(jìn)行澆注時，鑄件凝固組織中Al3Ti顆粒較少，基本未見Al3Ti顆粒的存在，如圖6(a)所示。這是因?yàn)楫?dāng)澆鑄溫度為720 ℃時，在該實(shí)驗(yàn)中如前所述Al3Ti的液相線為710 ℃左右，熔體中的Al3Ti顆粒會被逐漸溶解，而且由于澆鑄使用的是鋼模，冷卻速率比較快，所以，在鋁熔體凝固過程中，能形成形核質(zhì)點(diǎn)的Al3Ti顆粒數(shù)量相對較少，導(dǎo)致鑄件凝固形核率減小，凝固組織的晶粒比較粗大，這也是在較高溫度下澆鑄得到的鑄件凝固組織晶粒粒徑會增大的原因。但在720 ℃對ZL205A鋁合金熔體施加UT時，由前面所述超聲活化異質(zhì)顆粒和空化過程中過冷形核的理論可知，雖然在 720 ℃Al3Ti顆粒會溶解，但空化泡破滅產(chǎn)生的最大壓強(qiáng)能達(dá)到1.64 GPa[24]，通過Clausius? Clapeyron方程可以計(jì)算出Al3Ti的熔點(diǎn)最高能提高大約230 ℃，Al3Ti熔點(diǎn)的提高間接提高了過冷度，促進(jìn)Al3Ti的形核與生長。所以，在720 ℃經(jīng)UT處理后ZL205A鋁合金熔體鑄件凝固組織中仍能看見相對較多的Al3Ti顆粒，如圖6(c)所示，這也是ZL205A鋁合金熔體UT到720 ℃得到鑄件凝固組織要比NUT時更加細(xì)化的原因。在700 ℃NUT澆鑄時，由于達(dá)到了Al3Ti的凝固區(qū)間，所以，相比于在720 ℃NUT澆鑄得到的鑄件凝固組織，α-Al基體中出現(xiàn)了少量Al3Ti顆粒。這是由于鋁熔體從初始的730 ℃到達(dá)到澆鑄溫度700 ℃過程中，雖然達(dá)到了Al3Ti的凝固區(qū)間，但溫度起伏和形核持續(xù)時間較短，只有少量的Al3Ti顆粒形成，所以，形核質(zhì)點(diǎn)數(shù)量有限，故最終鑄件凝固組織晶粒仍然比較粗大。當(dāng)UT在700 ℃澆鑄時，由于已經(jīng)達(dá)到Al3Ti的凝固區(qū)間，此時，Al3Ti已經(jīng)開始形核與生長，在超聲空化過程中產(chǎn)生的如前面所述的2種過冷效應(yīng)也會促進(jìn)Al3Ti的形成，同時超聲空化泡潰滅產(chǎn)生的高壓和微射流沖擊會將產(chǎn)生的Al3Ti顆粒擊碎和打斷，超聲的聲流效應(yīng)會促進(jìn)Al3Ti顆粒均勻分布到熔體中，提高了形核率，所以，在700 ℃，UT鋁熔體得到的鑄件凝固組織中可以看到較多彌散分布的Al3Ti顆粒，如圖6(d)所示，最終得到的鑄件凝固組織也比在 700 ℃NUT更加細(xì)化。同時該分析與圖5中當(dāng)超聲預(yù)處理到710 ℃以下(Al3Ti的凝固區(qū)間內(nèi))時，鑄件晶粒粒徑會明顯減小相吻合。

2.3 超聲預(yù)處理對鑄件共晶組織的影響

圖7所示為對ZL205A鋁合金熔體NUT和UT分別到710 ℃澆注得到的鑄件共晶組織和能譜。從圖7可知：未經(jīng)超聲預(yù)處理ZL205A鋁合金熔體得到的鑄件共晶組織比較粗大，晶界連續(xù)，如圖7(a)所示；而經(jīng)過超聲預(yù)處理得到的鑄件其共晶組織形貌變的細(xì)小，分布更加均勻，晶界變的不連續(xù)，如圖7(b)所示。對共晶組織如圖7(c)進(jìn)行能譜分析，能譜結(jié)果如圖7(d)~7(f)所示，結(jié)合鑄造鋁合金手冊中Al-Cu-Mn合金三元相圖[19]、LI等[25]和李瑞卿等[26]研究，可以確定2種條件下鑄件的共晶組織主要是白色魚骨狀的α(Al)+θ(Al2Cu)二元共晶，其次為少量的α(Al)+ θ(Al2Cu)+T(Al12CuMn2)三元共晶和長條狀的Al7Cu2(FeMn)雜質(zhì)相，如圖7(c)所示。由前面的分析可知超聲可以促進(jìn)異質(zhì)顆粒形核，通過空化作用促進(jìn)了Al3Ti的形成，這使得鋁熔體形核率增加，鑄件凝固組織晶粒細(xì)化，總的晶界長度會增多，在未增加Cu元素固溶度的條件下，相應(yīng)同樣晶界上Cu元素的偏聚就會減少，其晶界上形成的共晶組織也會相對減少，所以經(jīng)過超聲預(yù)處理得到的鑄件共晶組織比較細(xì)小。

(a) NUT，720 ℃澆鑄；(b) NUT，700 ℃澆鑄；(c) UT，720 ℃澆鑄；(d) UT，700 ℃澆鑄；(e) 物相A的EDS；(f) 物相B的EDS

(a) NUT，710 ℃澆注；(b) UT到710 ℃澆注；(c) 共晶組織形貌；(d) A區(qū)域的EDS；(e) B區(qū)域的EDS；(f) C區(qū)域的EDS

3 結(jié)論

1) 超聲預(yù)處理ZL205A鋁合金熔體可使鑄件凝固組織氣孔顯著減少，且超聲預(yù)處理溫度越高，除氣效果越好，這取決于超聲空化和聲流效應(yīng)除去了鋁熔體中大量的氫。

2) 超聲預(yù)處理ZL205A鋁合金熔體能細(xì)化其鑄件凝固組織，且隨著超聲預(yù)處理作用溫度的降低，細(xì)化效果越好。超聲空化效應(yīng)促進(jìn)Al3Ti的形成和分布是超聲預(yù)處理ZL205A鋁合金熔體細(xì)化其鑄件凝固組織的主要機(jī)制。

3) 超聲預(yù)處理ZL205A鋁合金熔體有利于細(xì)化其鑄件共晶組織，這是超聲預(yù)處理后鑄件凝固組織細(xì)化的結(jié)果。

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(編輯 楊幼平)

Effect of ultrasonicpretreatment on microstructures of ZL205A aluminum alloy casting

CAO Fei1, JIANG Ripeng2, LI Xiaoqian1, LI Ruiqing2, DONG Fang2

(1. State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Light Alloy Institute, Central South University, Changsha 410083, China)

In order to study the influence of ultrasonic pretreatment(UT) of ZL205A aluminum alloy melt in high temperature range on the casting microstructures and its mechanism，ultrasonic treatment was applied in the molten ZL205A aluminum alloy in different temperature ranges above its liquidus. The results show that UT applied in the molten ZL205A aluminum alloy at different temperatures above its liquidus can effectively reduce the porosity in its solidification structure, refine its casting microstructure and the refinement is gradually weakened by increasing the temperature of applying ultrasonic vibration. Ultrasonic cavitation/assists the formation and distribution of Al3Ti and increases the nucleation rate, which is the main mechanism of refining casting solidification structure after ultrasonic pretreatment of molten ZL205A aluminum alloy.

ZL205A aluminum alloy; ultrasonic field; solidification structure; cavitation

TG249.9；TB559

A

1672?7207(2018)01?0031?08

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.01.005

2017?01?07；

2017?04?11

國家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(51475480)；湖南省自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(2017JJ3391) (Project(51475480) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2017JJ3391) supported by Hunan Natural Science Foundation)

蔣日鵬，博士，講師，從事超聲作用機(jī)理研究；E-mail: jiangripeng@163.com