超声铸造7050铝合金的微观组织和宏观偏析规律

D0L:10.13374M.issn1001-053x.2012.06.010 第34卷第6期 北京科技大学学报 Vol.34 No.6 2012年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2012 超声铸造7050铝合金的微观组织和宏观偏析规律 陈鼎欣 李晓谦黎正华蒋日鹏 中南大学机电工程学院现代复杂装备设计与极端制造教有部重点实验室，长沙410012 通信作者，Emai:w198613@163.com 摘要采用不同功率超声对铝熔体进行处理，研究超声场对7050铝合金凝固组织和宏观偏析的影响规律.结果表明：超声 振动产生的空化效应和声流效应影响熔体的凝固过程，合理功率的超声能有效细化晶粒、优化组织及改善宏观溶质分布.当 超声功率达到170W时，铸锭径向宏观偏析的弱化效果最好，Zm、Mg和Cu的偏析指数分别为0.0593、0.0565和0.0319：超声 功率超过170W,溶质元素在中心区域富集量显著提高，宏观偏析程度增大. 关键词铝合金：铸造：超声应用：偏析：微观组织：空化：声流 分类号TG249.7:TG146.2 Microstructure and macro-segregation law of ultrasonic cast 7050 aluminum al- loy ingots CHEN Ding-xin,LI Xiao-qian,LI Zheng-hua,JIANG Ri-peng Key Laboratory of Modern Complex Equipment Design and Manufacturingof the Ministry of Education,College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University,Changsha 410012,China Corresponding author,E-mail:vv198613@163.com ABSTRACT Ultrasonic vibration effects on the microstructure and macro-segregation of 7050 aluminum alloy were investigated by adopting various ultrasonic powers to the aluminum melt.It is found that cavitation effect and acoustic streaming effect,caused by ul- trasonic vibration,play a major role in the solidification process.A reasonable ultrasonic power can obviously refine the grains,opti- mize the microstructure,and improve the homogeneity of solute elements.The maximum decrease of the macro-segregation level occurs at the power of 170 W,and the segregation index values of Zn,Mg,and Cu are 0.0593,0.0565,and 0.0319,respectively.Excee- ding the power of 170W,the rich level of solute elements in the ingot center enhances greatly and the macro-segregation level increases. KEY WORDS aluminum alloys:casting:ultrasonic applications:segregation:microstructure:cavitation:acoustic streaming 7050铝合金是一种高强高韧型铝合金，常用于 质量，对制备大规格高性能铸造铝合金具有重要 宇宙飞船和大型飞机等航空器械大型主体机构的制 意义 造.由于其合金含量高，在铸造过程中容易产生严 许多学者对改变铸造工艺参数优化组织结构 重的宏观偏析.宏观偏析的出现不仅对铸锭的性能 和控制宏观偏析方面进行了研究.近年来，超 有不良的影响，而且增加了铸锭产生热裂的倾向，限 声外场作为一种优化铸造结构的绿色环保的手段 制了铸锭的生产能力四.与微观偏析不同，宏观偏 得到广泛关注.然而对于超声作用于凝固过程中 析不能通过后续的热处理消除，因此如何在初始加 改善铸锭宏观溶质元素分布效果与规律的研究还 工过程中减小其程度显得尤为重要.同时，在铝合 很有限.本文的目的是系统地研究超声场对铸锭 金铸造过程中，形成良好的晶粒结构以及均匀的形 微观组织和宏观偏析的影响，探讨通过控制超声 态分布是提高铝合金的后续机械加工性能的必要条 作用强度改善铝合金铸造组织、弱化宏观偏析的 件.成分和组织结构的分布影响材料的成型和成性 规律，为大规格高性能铝合金铸锭的生产制备提 收稿日期：201105-20 基金项目：国家重点基础研究发展规划资助项目(2010CB731706)

第 34 卷 第 6 期 2012 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 6 Jun． 2012 超声铸造 7050 铝合金的微观组织和宏观偏析规律 陈鼎欣 李晓谦 黎正华 蒋日鹏 中南大学机电工程学院现代复杂装备设计与极端制造教育部重点实验室，长沙 410012 通信作者，E-mail: vv198613@ 163． com 摘 要 采用不同功率超声对铝熔体进行处理，研究超声场对 7050 铝合金凝固组织和宏观偏析的影响规律． 结果表明: 超声 振动产生的空化效应和声流效应影响熔体的凝固过程，合理功率的超声能有效细化晶粒、优化组织及改善宏观溶质分布． 当 超声功率达到 170 W 时，铸锭径向宏观偏析的弱化效果最好，Zn、Mg 和 Cu 的偏析指数分别为 0. 059 3、0. 056 5 和 0. 031 9; 超声 功率超过 170 W，溶质元素在中心区域富集量显著提高，宏观偏析程度增大． 关键词 铝合金; 铸造; 超声应用; 偏析; 微观组织; 空化; 声流 分类号 TG249. 7; TG146. 2 Microstructure and macro-segregation law of ultrasonic cast 7050 aluminum al￾loy ingots CHEN Ding-xin ，LI Xiao-qian，LI Zheng-hua，JIANG Ri-peng Key Laboratory of Modern Complex Equipment Design and Manufacturingof the Ministry of Education，College of Mechanical and Electrical Engineering， Central South University，Changsha 410012，China Corresponding author，E-mail: vv198613@ 163． com ABSTRACT Ultrasonic vibration effects on the microstructure and macro-segregation of 7050 aluminum alloy were investigated by adopting various ultrasonic powers to the aluminum melt． It is found that cavitation effect and acoustic streaming effect，caused by ul￾trasonic vibration，play a major role in the solidification process． A reasonable ultrasonic power can obviously refine the grains，opti￾mize the microstructure，and improve the homogeneity of solute elements． The maximum decrease of the macro-segregation level occurs at the power of 170 W，and the segregation index values of Zn，Mg，and Cu are 0. 059 3，0. 056 5，and 0. 031 9，respectively． Excee￾ding the power of 170 W，the rich level of solute elements in the ingot center enhances greatly and the macro-segregation level increases． KEY WORDS aluminum alloys; casting; ultrasonic applications; segregation; microstructure; cavitation; acoustic streaming 收稿日期: 2011--05--20 基金项目: 国家重点基础研究发展规划资助项目( 2010CB731706) 7050 铝合金是一种高强高韧型铝合金，常用于 宇宙飞船和大型飞机等航空器械大型主体机构的制 造． 由于其合金含量高，在铸造过程中容易产生严 重的宏观偏析． 宏观偏析的出现不仅对铸锭的性能 有不良的影响，而且增加了铸锭产生热裂的倾向，限 制了铸锭的生产能力［1］． 与微观偏析不同，宏观偏 析不能通过后续的热处理消除，因此如何在初始加 工过程中减小其程度显得尤为重要． 同时，在铝合 金铸造过程中，形成良好的晶粒结构以及均匀的形 态分布是提高铝合金的后续机械加工性能的必要条 件． 成分和组织结构的分布影响材料的成型和成性 质量，对制备大规格高性能铸造铝合金具有重要 意义． 许多学者对改变铸造工艺参数优化组织结构 和控制宏观偏析方面进行了研究［2--4］． 近年来，超 声外场作为一种优化铸造结构的绿色环保的手段 得到广泛关注． 然而对于超声作用于凝固过程中 改善铸锭宏观溶质元素分布效果与规律的研究还 很有限． 本文的目的是系统地研究超声场对铸锭 微观组织和宏观偏析的影响，探讨通过控制超声 作用强度改善铝合金铸造组织、弱化宏观偏析的 规律，为大规格高性能铝合金铸锭的生产制备提 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.06.010

第6期 陈鼎欣等：超声铸造7050铝合金的微观组织和宏观偏析规律 ·667· 供理论和技术参考 21±0.5kHz)、电阻加热炉、铁坩埚（外形尺寸为 中130mm×200mm,壁厚5mm)、温度控制记录仪、 1 实验方法 液压式位移操作台、热电偶、Leica台式金相显微镜 实验设备：超声波振动系统（输出功率：105， 和SPECTRO MAXx直读光谱仪.实验材料所用 135,170,200,240W:输出频率：19±0.5,20±0.5， 7050铝合金的成分配比如表1所示 表1实验用7050合金成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of 7050 aluminum alloy % 合金 Zn c Mg Zr 食 Ti V 标准 5.7-6.7 2.0-2.6 1.9-2.6 0.08-0.15 <0.15 <0.12 <0.06 Bal 实验合金 5.9 2.4 2.3 0.10 0.10 0.08 0.04 Bal. 超声场加入的方法如图1所示，施加超声前对 式中：C,为所测位置的i元素浓度值；C为该元素 工具杆进行预热处理（防止超声振动系统在高温铝 铸锭中的原始浓度值.本文将△C>0和△C<0分 熔体直接启动时过载失谐)，通过位移控制台调 别定义为正偏析和负偏析，曲线图横坐标为所测点 节超声系统的位置，确保工具杆处于坩埚的中心位 距离铸锭表面的距离.引入偏析指数S衡量铸锭宏 置.分别施加135、170和200W超声，保持发生器 观偏析程度： 工作频率19±0.5kHz,施振温度和时间分别为670 S=△Cs-△Cmia· (2）) ℃和5min,工具杆浸入铝熔体中约15mm.施振结 式中，△Cms和△Cmi分别为径向最大和最小偏析率. 束后立即将坩埚从加热炉中取出，置于空气中自然 2结果分析与讨论 冷却，直至完全凝固. 图2为不同超声施振功率下铸锭的凝固组织. 超声波发生器 无超声作用下中心和边部存在大量分布不均匀的粗 晶，边部有明显的枝晶存在.超声场的施加使铸锭 定位法兰盘 位移操作台 中心粗晶减少并形成大量细小且均匀的球状晶，边 位夹具 部的晶粒形状和排布规则化.未加超声时中部和边 部晶粒尺寸为246和425um,施加170和200W超 热电偶 声时组织细化程度差别不大，200W时为实验中的最 温度控制仪 小值，中部和边部晶粒尺寸分别达到117和173μm. 超声场的施加促进晶粒细化、均匀的原因是超 铝合金熔体 声在液体中传播时会产生空化效应，空化产生的空 化泡的形成和长大需要从周围吸收大量的热量，导 致空化区域局部过冷，局部的过冷以及熔体中过冷 铁圳埚、 区域的扩大，使熔体内形核率增加：空化泡的瞬时崩 图1超声铸造实验装置示意图 溃造成局部的高温高压，从而产生强烈的冲击波，促 Fig.1 Schematic diagram of the ultrasonic casting experimental appa- 进凝固前沿枝晶的折断和破碎，这些破碎的枝晶碎 ratus 片作为新的形核核心进一步提高形核数量6-.此 从距铸锭顶部60mm处截取厚度为10mm 外，超声作用加速熔体流场运动，均衡温度场和浓度 的切片，并从截面边缘沿径向切割成I0mm宽的 场，改善形核的凝固环境，使晶粒沿各个方向均匀 样条.采用Leica金相显微镜分别对切片中心和 长大图 边部的组织进行观测.采用SPECTRO MAXx直 图3为不同超声功率作用下，溶质元素Zn、Mg 读光谱仪测量样条的溶质分布情况.绘制半径方 和C山偏析率沿径向的分布曲线.由图3可知，总体 向溶质元素Zn、Mg和Cu偏析率△C的对比 上三种主要溶质元素的偏析率的分布曲线具有一致 曲线： 性.溶质元素在铸锭边部都表现为较严重的负偏 Ci-Cave 析，在170W时负偏析的程度最小：从铸锭边部到其 △C= (1) 半径1/2处，相对于未施加超声的铸锭，施加超声有

第 6 期 陈鼎欣等: 超声铸造 7050 铝合金的微观组织和宏观偏析规律 供理论和技术参考． 1 实验方法 实验设备: 超声波振动系统( 输出功率: 105， 135，170，200，240 W; 输出频率: 19 ± 0. 5，20 ± 0. 5， 21 ± 0. 5 kHz) 、电阻加热炉、铁坩埚( 外形尺寸为 130 mm × 200 mm，壁厚 5 mm) 、温度控制记录仪、 液压式位移操作台、热电偶、Leica 台式金相显微镜 和 SPECTRO MAXx 直 读 光 谱 仪． 实 验 材 料 所 用 7050 铝合金的成分配比如表 1 所示． 表 1 实验用 7050 合金成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of 7050 aluminum alloy % 合金 Zn Cu Mg Zr Fe Si Ti Al 标准 5. 7 ～ 6. 7 2. 0 ～ 2. 6 1. 9 ～ 2. 6 0. 08 ～ 0. 15 ＜ 0. 15 ＜ 0. 12 ＜ 0. 06 Bal. 实验合金 5. 9 2. 4 2. 3 0. 10 0. 10 0. 08 0. 04 Bal． 超声场加入的方法如图 1 所示，施加超声前对 工具杆进行预热处理( 防止超声振动系统在高温铝 熔体直接启动时过载失谐［5］) ，通过位移控制台调 节超声系统的位置，确保工具杆处于坩埚的中心位 置． 分别施加 135、170 和 200 W 超声，保持发生器 工作频率 19 ± 0. 5 kHz，施振温度和时间分别为 670 ℃和 5 min，工具杆浸入铝熔体中约 15 mm． 施振结 束后立即将坩埚从加热炉中取出，置于空气中自然 冷却，直至完全凝固． 图 1 超声铸造实验装置示意图 Fig． 1 Schematic diagram of the ultrasonic casting experimental appa￾ratus 从距铸 锭 顶 部 60 mm 处 截 取 厚 度 为 10 mm 的切片，并从截面边缘沿径向切割成 10 mm 宽的 样条． 采用 Leica 金相显微镜分别对切片中心和 边部的组 织 进 行 观 测． 采 用 SPECTRO MAXx 直 读光谱仪测量样条的溶质分布情况． 绘制半径方 向溶 质 元 素 Zn、Mg 和 Cu 偏 析 率 ΔC 的 对 比 曲线: ΔC = Ci － Cave Cave ． ( 1) 式中: Ci为所测位置的 i 元素浓度值; Cave为该元素 铸锭中的原始浓度值． 本文将 ΔC ＞ 0 和 ΔC ＜ 0 分 别定义为正偏析和负偏析，曲线图横坐标为所测点 距离铸锭表面的距离． 引入偏析指数 S 衡量铸锭宏 观偏析程度: S = ΔCmax － ΔCmin ． ( 2) 式中，ΔCmax和 ΔCmin分别为径向最大和最小偏析率． 2 结果分析与讨论 图 2 为不同超声施振功率下铸锭的凝固组织． 无超声作用下中心和边部存在大量分布不均匀的粗 晶，边部有明显的枝晶存在． 超声场的施加使铸锭 中心粗晶减少并形成大量细小且均匀的球状晶，边 部的晶粒形状和排布规则化． 未加超声时中部和边 部晶粒尺寸为 246 和 425 μm，施加 170 和 200 W 超 声时组织细化程度差别不大，200 W 时为实验中的最 小值，中部和边部晶粒尺寸分别达到 117 和 173 μm． 超声场的施加促进晶粒细化、均匀的原因是超 声在液体中传播时会产生空化效应，空化产生的空 化泡的形成和长大需要从周围吸收大量的热量，导 致空化区域局部过冷，局部的过冷以及熔体中过冷 区域的扩大，使熔体内形核率增加; 空化泡的瞬时崩 溃造成局部的高温高压，从而产生强烈的冲击波，促 进凝固前沿枝晶的折断和破碎，这些破碎的枝晶碎 片作为新的形核核心进一步提高形核数量［6--7］． 此 外，超声作用加速熔体流场运动，均衡温度场和浓度 场，改善形核的凝固环境，使晶粒沿各个方向均匀 长大［8］． 图 3 为不同超声功率作用下，溶质元素 Zn、Mg 和 Cu 偏析率沿径向的分布曲线． 由图 3 可知，总体 上三种主要溶质元素的偏析率的分布曲线具有一致 性． 溶质元素在铸锭边部都表现为较严重的负偏 析，在 170 W 时负偏析的程度最小; 从铸锭边部到其 半径 1 /2 处，相对于未施加超声的铸锭，施加超声有 ·667·

·668· 北京科技大学学报 第34卷 50 um 50m 50m 501m 图2不同超声功率下的合金微观结构.(a)中心，无超声：(b)边部，无超声：(c)中心，135W:(d)边部，135W:()中心，170W:(0边部， 170W:(g中心，200W:(h)边部，200W Fig.2 Microstructures of the aluminum alloy at different ultrasonic powers:(a)central part without ultrasound:(b)edge part without ultrasound; (c)central part with 135 W:(d)edge part with 135 W:(e)central part with 170 W:(f)edge part with 170W:(g)central part with 200 W:(h) edge part with 200 W 0.0 0.06 d 0.04 Z知 0.04 -Zn Mg 0.02 0.02 0 0 -0.02 -0.02 -0.04 -0.04 0.066 10 20304050 60 006% 10 2030 40 50 与表面离mm 与表面离mm 0.06 0.06 -Z如 0.04 -Mg 0.04 ★Cu 0.02 0.02 0 -0.02 -0.02 Z Mg 0.04 0.04 0.066 10 20304050 60 10 203040 50 60 与表面距离/mm 与表面距离mm 图3不同超声功率下溶质元素宏观偏析分布.(a)无超声：()135W:(c)170W:(d)200W Fig.3 Macro-segregation profiles of solute elements at different ultrasonic powers:(a)without ultrasound:(b)135 W:(c)170 W:(d)200 W 效地减弱了正偏析，且超声功率越大，对正偏析的抑 最低值，其宏观偏析的弱化效果最好.功率继续增 制效果越好.在铸锭的中心部位，170W时Zn、Mg 加到200W,Zn、Mg和Cu的偏析指数达到0.1118、 和Cu的偏析率为0.0071、-0.0040和0.0091；200 0.0913和0.1087，其宏观偏析程度显著增大并到达 W时达到实验的最大值，其值分别为0.0513、 实验的最大值.从整个铸锭径向溶质元素偏析程度 0.0348和0.0300.溶质元素随功率的增加呈现中 考虑，对7050铝合金熔体施加超声功率的最佳值为 心富集的趋势，铸锭中心的偏析率增大.图4为溶 170W.当功率为200W,铸锭的中心正偏析达到 质元素Zn、Mg和Cu偏析指数随施振功率增加的变 最大 化情况.在170W超声作用下，Zn、Mg和Cu偏析指 铸锭宏观偏析主要受溶质元素在固相和液相之 数分别为0.0593、0.0565和0.0319，均达到实验的 间的相对运动的影响可.目前关于超声场强化传质

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 2 不同超声功率下的合金微观结构． ( a) 中心，无超声; ( b) 边部，无超声; ( c) 中心，135 W; ( d) 边部，135 W; ( e) 中心，170 W; ( f) 边部， 170 W; ( g) 中心，200 W; ( h) 边部，200 W Fig． 2 Microstructures of the aluminum alloy at different ultrasonic powers: ( a) central part without ultrasound; ( b) edge part without ultrasound; ( c) central part with 135 W; ( d) edge part with 135 W; ( e) central part with 170 W; ( f) edge part with 170 W; ( g) central part with 200 W; ( h) edge part with 200 W 图 3 不同超声功率下溶质元素宏观偏析分布 . ( a) 无超声; ( b) 135 W; ( c) 170 W; ( d) 200 W Fig． 3 Macro-segregation profiles of solute elements at different ultrasonic powers: ( a) without ultrasound; ( b) 135 W; ( c) 170 W; ( d) 200 W 效地减弱了正偏析，且超声功率越大，对正偏析的抑 制效果越好． 在铸锭的中心部位，170 W 时 Zn、Mg 和 Cu 的偏析率为 0. 007 1、－ 0. 004 0 和 0. 009 1; 200 W 时达到实验的最大值，其 值 分 别 为 0. 051 3、 0. 034 8和 0. 030 0． 溶质元素随功率的增加呈现中 心富集的趋势，铸锭中心的偏析率增大． 图 4 为溶 质元素 Zn、Mg 和 Cu 偏析指数随施振功率增加的变 化情况． 在 170 W 超声作用下，Zn、Mg 和 Cu 偏析指 数分别为 0. 059 3、0. 056 5 和 0. 031 9，均达到实验的 最低值，其宏观偏析的弱化效果最好． 功率继续增 加到 200 W，Zn、Mg 和 Cu 的偏析指数达到 0. 111 8、 0. 091 3和 0. 108 7，其宏观偏析程度显著增大并到达 实验的最大值． 从整个铸锭径向溶质元素偏析程度 考虑，对 7050 铝合金熔体施加超声功率的最佳值为 170 W． 当功率为 200 W，铸锭的中心正偏析达到 最大． 铸锭宏观偏析主要受溶质元素在固相和液相之 间的相对运动的影响［9］． 目前关于超声场强化传质 ·668·

第6期 陈鼎欣等：超声铸造7050铝合金的微观组织和宏观偏析规律 ·669· 过程、弱化宏观偏析的机理性研究还处于探索性阶 空化核心，使空化泡产生、崩溃的过程得以延续，并 段，课题组研究认为超声在熔体中传播时产生的空 且不断地产生冲击波 化效应和声流效应起主要作用，下面进行重点论述. 当边部凝固层达到一定的厚度，由于凝固潜热 0.12 的释放和传热条件的改变，冷却速度显著降低，伴随 Zn 一章…hg 着超声空化产生的微射流、冲击波等机械效应引起 0.10 …Cu 的液流宏观湍动以及固体粒子的高速碰撞，使涡流 0.08 扩散加强图，凝固界面的富集溶质迅速扩散：固液 ◆ 界面处形成的固相刚性骨架在这种微射流和冲击波 0.06 的剥离、侵蚀作用下，将形成液相与固相刚性骨架包 围的液相之间的扩散通道，使得凝固固相包围的液 0.04 相溶质浓度降低-)；在上述的多微孔介质内，微 .020 40 80120160 200 射流和冲击波具有促进物质传递的微扰动作用，能 超声功W 使微观内物质扩散加强.上述效应对传质过程起到 图4溶质元素偏析指数随超声功率变化规律 强化作用，使得铸锭半径1/2区域的正偏析程度减 Fig.4 Change in the segregation index of solution elements with ul- 小.超声对先凝固区域正偏析的抑制作用，使得最 trasonic power 后凝固部分中溶质元素浓度得到增大，对铸锭中心 2.1超声空化效应 正偏析的增加起到促进作用.此外，Eskin等)研 超声空化是指存在于液态物质中的微小气泡 究发现，细小等轴晶趋向于溶质富集.空化作用增 (空化核)在超声声场作用的激发下，空化气泡不断 加铸锭中心区域的细小等轴品比率，在一定程度上 振动、膨胀、收缩乃至崩溃爆裂等一系列的动力学过 促进了中心溶质的富集 程.根据文献，空化泡壁的运动方程B,o如下式 2.2声流效应 所示： 超声波在熔体中传播时，声波与熔体中黏性力 R+)-R(尝)-p小6) 交互作用会产生有限振幅衰减，导致熔体内从声源 开始形成一定的声压梯度，当声压幅值超过一定值 忽略空化泡的表面张力，假定空化泡的崩溃为 时，在熔体中形成一个流体的喷射，喷射流在整个熔 绝热过程，可得气泡溃灭时气泡内的最大压力、最高 体中形成环流，称为声流效应0，如图5所示.环 温度以及溃灭时间分别如下式： 流最大可能速度u可由下式计算： 「Pm(k-1)1六 u=2πfA. (7) (4) P 式中，∫为超声波频率，A为变幅杆端面最大振幅. Tn=Tn P.(k-1) (5) 由式(7)可以计算，在超声频率为19kHz,输出功率 P、 为170W(此时的振幅A为1.4776×10-5m)的外场 7=0.915R√f (6) 作用下可能产生的最大声流速度为1.25ms-.声 流速度比熔体中质点振动速度小得多，但也能达到 式中：R为空化泡半径：R,为空化泡初始半径：P。空 化泡内初始压力；1为时间；k为绝热指数；P,为空化 泡内的蒸气压，铝熔体中主要为氢气，取2.33kPa; P为气泡闭合时的外部压力；T为液体温度p为 液态物质密度. 研究发现：对于工业用铝合金熔体，当处于液态 时，其空化阈值大约为1MPa,故取P.为1MPa.由 式(4)~(6)，通过计算得空化泡崩溃瞬间产生的最 大压力为0.4GPa,最高温度为1.3×10K,崩溃时 间约为1μs;这些产生的局部高温高压将在铝熔体 中产生强烈的冲击波和高速射流，空化泡崩溃后会 图5超声声流 产生大量的微气泡，其中一部分微气泡将继续作为 Fig.5 Ultrasonic flows

第 6 期 陈鼎欣等: 超声铸造 7050 铝合金的微观组织和宏观偏析规律 过程、弱化宏观偏析的机理性研究还处于探索性阶 段，课题组研究认为超声在熔体中传播时产生的空 化效应和声流效应起主要作用，下面进行重点论述． 图 4 溶质元素偏析指数随超声功率变化规律 Fig． 4 Change in the segregation index of solution elements with ul￾trasonic power 2. 1 超声空化效应 超声空化是指存在于液态物质中的微小气泡 ( 空化核) 在超声声场作用的激发下，空化气泡不断 振动、膨胀、收缩乃至崩溃爆裂等一系列的动力学过 程． 根据 文 献，空化泡壁的运动方程［3，10］ 如 下 式 所示: R d2 R dt 2 + ( 3 2 dR d ) t 2 = 1 [ ρ P0 ( R0 ) R 3k － Pm ] ． ( 3) 忽略空化泡的表面张力，假定空化泡的崩溃为 绝热过程，可得气泡溃灭时气泡内的最大压力、最高 温度以及溃灭时间分别如下式: Pmax = Pv [ Pm ( k － 1) P ] v k k － 1 ， ( 4) Tmax = Tmin ·Pm ( k － 1) Pv ， ( 5) τ = 0. 915Rm ρ 槡Pm ． ( 6) 式中: R 为空化泡半径; R0为空化泡初始半径; P0空 化泡内初始压力; t 为时间; k 为绝热指数; Pv为空化 泡内的蒸气压，铝熔体中主要为氢气，取 2. 33 kPa; Pm为气泡闭合时的外部压力; Tmin为液体温度; ρ 为 液态物质密度． 研究发现: 对于工业用铝合金熔体，当处于液态 时，其空化阈值大约为 1 MPa，故取 Pm为 1 MPa． 由 式( 4) ～ ( 6) ，通过计算得空化泡崩溃瞬间产生的最 大压力为 0. 4 GPa，最高温度为 1. 3 × 105 K，崩溃时 间约为 1 μs; 这些产生的局部高温高压将在铝熔体 中产生强烈的冲击波和高速射流，空化泡崩溃后会 产生大量的微气泡，其中一部分微气泡将继续作为 空化核心，使空化泡产生、崩溃的过程得以延续，并 且不断地产生冲击波． 当边部凝固层达到一定的厚度，由于凝固潜热 的释放和传热条件的改变，冷却速度显著降低，伴随 着超声空化产生的微射流、冲击波等机械效应引起 的液流宏观湍动以及固体粒子的高速碰撞，使涡流 扩散加强［8］，凝固界面的富集溶质迅速扩散; 固液 界面处形成的固相刚性骨架在这种微射流和冲击波 的剥离、侵蚀作用下，将形成液相与固相刚性骨架包 围的液相之间的扩散通道，使得凝固固相包围的液 相溶质浓度降低［10--13］; 在上述的多微孔介质内，微 射流和冲击波具有促进物质传递的微扰动作用，能 使微观内物质扩散加强． 上述效应对传质过程起到 强化作用，使得铸锭半径 1 /2 区域的正偏析程度减 小． 超声对先凝固区域正偏析的抑制作用，使得最 后凝固部分中溶质元素浓度得到增大，对铸锭中心 正偏析的增加起到促进作用． 此外，Eskin 等［13］研 究发现，细小等轴晶趋向于溶质富集． 空化作用增 加铸锭中心区域的细小等轴晶比率，在一定程度上 促进了中心溶质的富集． 2. 2 声流效应 超声波在熔体中传播时，声波与熔体中黏性力 交互作用会产生有限振幅衰减，导致熔体内从声源 开始形成一定的声压梯度，当声压幅值超过一定值 时，在熔体中形成一个流体的喷射，喷射流在整个熔 体中形成环流，称为声流效应［10］，如图 5 所示． 环 流最大可能速度 u 可由下式计算: 图 5 超声声流 Fig． 5 Ultrasonic flows u =槡2πfA． ( 7) 式中，f 为超声波频率，A 为变幅杆端面最大振幅． 由式( 7) 可以计算，在超声频率为 19 kHz，输出功率 为 170 W( 此时的振幅 A 为1. 4776 × 10 － 5 m) 的外场 作用下可能产生的最大声流速度为 1. 25 m·s － 1 ． 声 流速度比熔体中质点振动速度小得多，但也能达到 ·669·

·670· 北京科技大学学报 第34卷 熔体热对流速度的5~10倍B, Gordon and Breach Science Publishers,1998 声流作用改变熔体的凝固条件，使熔体由逐层 4 Yang Y S,Zhang QS,He Y L,et al.The segregation of copper and silicon in Al-Si-Cu alloy during electromagnetic centrifugal so- 凝固变为体积凝固，有利于溶质元素充分扩 lidification.Sci Technol Adv Mater,2001,2(1):271 散11. 在强制对流的影响下，固液两相区的温度 5) Wang F J,Zhao X Y,Zhang D W,et al.Development of novel 升高，渗透性变大，富集溶质液相流入增加，凝固固 ultrasonic transducers for microelectronics packaging.J Mater 相中溶质含量增大；促进边部溶质贫乏粗枝晶的破 Process Technol,2009,209(3):1291 碎及运动，减弱边部负偏析，同时也均衡了熔体与先 [6]Khosro Aghayani M,Niroumand B.Effects of ultrasonic treatment 凝固固相的溶质浓度差，从而有效弱化了宏观偏析 on microstructure and tensile strength of A291 magnesium alloy. Alloys Compd,2011,509(1):114 3结论 7]Zhang L H.Yu J,Zhang X M.Effect of ultrasonic power and casting speed on solidification structure of 7050 aluminum alloy in- (1)超声作用促进铸锭横截面微观组织的细化 got in ultrasonic field.J Cent South Unir Technol,2010,17(3): 和均匀分布，超声功率为200W,铸锭组织细化效果 431 最佳，铸锭中心和边部的晶粒尺寸分别为117和 [8]Jian X,Xu H,Meek T T,et al.Effect of power ultrasound on so- lidification of aluminum A356 alloy.Mater Lett,2005,59 (2/3): 173μm. 190 (2)超声场的施加促进溶质元素的再分布.超 [9]Nadella R,Eskin D G,Du Q,et al.Macrosegregation in direct- 声施振功率为170W时，整个径向宏观偏析弱化效 chill casting of aluminum alloys.Prog Mater Sci,2008,53 (3): 果最佳，Zn、Mg和Cu的偏析指数分别为0.0593、 421 0.0565和0.0319：功率为200W时铸锭宏观偏析最 [10]Li Y L,Li B M,Liu Y T,et al.Effect of power ultrasonic on struc- ture of Al-Si alloys.Chin J Nonferrous Met,1999,9(4):719 严重，Zm、Mg和Cu的偏析指数达到0.1118、0.0913 (李英龙，李宝绵，刘永涛，等.功率超声对ASi合金组织的 和0.1087. 影响.中国有色金属学报，1999,9(4)：719) (3)超声铸造抑制半径112区域正偏析程度， 1] Noeppel A,Ciobanas A,Wang X D,et al.Influence of forced/ 增加中心区域溶质富集的等轴晶比例，使溶质元素 natural convection on segregation during the directional solidifica- 随施振功率的增加在铸锭中心产生富集，造成铸锭 tion of Al-based binary alloys.Metall Mater Trans B,2010,41 产生中心正偏析的趋势增强。 (1):193 [12]Xie F Y,Yang X Y,L Ding,et al.A study of microstructure and microsegregation of aluminum 7050 alloy.Mater Sci Eng A, 参考文献 2003,355(1/2):144 1]Flemings M C.Our understanding of macrosegregation:past and [13]Eskin D G,Nadella R,Katgerman L.Effect of different grain present..1SJIm,2000,40(9）:833 structures on centerline macrosegregation during direct-hill cast- ZhaoZ.H.Cui ]Z,Lu G M,et al.Effect of low-frequency mag- ing.Acta Mater,2008,56(6):1358 netic field on microstructures and macrosegregation of horizontal di- [14]Zhong G,Wu S S,Jiang H W,et al.Effects of ultrasonic vibra- rect chill casting 7075 aluminum alloy.I Mater Process Technol, tion on the iron-containing intermetallic compounds of high silicon 2007,182:185 aluminum alloy with 2%Fe.J Alloys Compd,2010,492(1/2): B]Eskin G I.Ultrasonic Treatment of Light Alloy Melts.Amsterdam: 482

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 熔体热对流速度的 5 ～ 10 倍［3，5］． 声流作用改变熔体的凝固条件，使熔体由逐层 凝固变为体积凝固，有 利 于 溶 质 元 素 充 分 扩 散［11，14］． 在强制对流的影响下，固液两相区的温度 升高，渗透性变大，富集溶质液相流入增加，凝固固 相中溶质含量增大; 促进边部溶质贫乏粗枝晶的破 碎及运动，减弱边部负偏析，同时也均衡了熔体与先 凝固固相的溶质浓度差，从而有效弱化了宏观偏析． 3 结论 ( 1) 超声作用促进铸锭横截面微观组织的细化 和均匀分布，超声功率为 200 W，铸锭组织细化效果 最佳，铸锭中心和边部的晶粒尺寸分别为 117 和 173 μm． ( 2) 超声场的施加促进溶质元素的再分布． 超 声施振功率为 170 W 时，整个径向宏观偏析弱化效 果最佳，Zn、Mg 和 Cu 的偏析指数分别为 0. 059 3、 0. 056 5 和0. 0319; 功率为200 W 时铸锭宏观偏析最 严重，Zn、Mg 和 Cu 的偏析指数达到 0. 111 8、0. 091 3 和 0. 108 7． ( 3) 超声铸造抑制半径 1 /2 区域正偏析程度， 增加中心区域溶质富集的等轴晶比例，使溶质元素 随施振功率的增加在铸锭中心产生富集，造成铸锭 产生中心正偏析的趋势增强． 参 考 文 献 ［1］ Flemings M C． Our understanding of macrosegregation: past and present． ISIJ Int，2000，40( 9) : 833 ［2］ ZhaoZ H，Cui J Z，Lu G M，et al． Effect of low-frequency mag￾netic field on microstructures and macrosegregation of horizontal di￾rect chill casting 7075 aluminum alloy． J Mater Process Technol， 2007，182: 185 ［3］ Eskin G I． Ultrasonic Treatment of Light Alloy Melts． Amsterdam: Gordon and Breach Science Publishers，1998 ［4］ Yang Y S，Zhang Q S，He Y L，et al． The segregation of copper and silicon in Al-Si-Cu alloy during electromagnetic centrifugal so￾lidification． Sci Technol Adv Mater，2001，2( 1) : 271 ［5］ Wang F J，Zhao X Y，Zhang D W，et al． Development of novel ultrasonic transducers for microelectronics packaging． J Mater Process Technol，2009，209( 3) : 1291 ［6］ Khosro Aghayani M，Niroumand B． Effects of ultrasonic treatment on microstructure and tensile strength of AZ91 magnesium alloy． J Alloys Compd，2011，509( 1) : 114 ［7］ Zhang L H，Yu J，Zhang X M． Effect of ultrasonic power and casting speed on solidification structure of 7050 aluminum alloy in￾got in ultrasonic field． J Cent South Univ Technol，2010，17( 3) : 431 ［8］ Jian X，Xu H，Meek T T，et al． Effect of power ultrasound on so￾lidification of aluminum A356 alloy． Mater Lett，2005，59( 2 /3) : 190 ［9］ Nadella R，Eskin D G，Du Q，et al． Macrosegregation in direct￾chill casting of aluminum alloys． Prog Mater Sci，2008，53( 3) : 421 ［10］ Li Y L，Li B M，Liu Y T，et al． Effect of power ultrasonic on struc￾ture of Al-Si alloys． Chin J Nonferrous Met，1999，9( 4) : 719 ( 李英龙，李宝绵，刘永涛，等． 功率超声对 Al--Si 合金组织的 影响． 中国有色金属学报，1999，9( 4) : 719) ［11］ Noeppel A，Ciobanas A，Wang X D，et al． Influence of forced / natural convection on segregation during the directional solidifica￾tion of Al-based binary alloys． Metall Mater Trans B，2010，41 ( 1) : 193 ［12］ Xie F Y，Yang X Y，L Ding，et al． A study of microstructure and microsegregation of aluminum 7050 alloy． Mater Sci Eng A， 2003，355( 1 /2) : 144 ［13］ Eskin D G，Nadella R，Katgerman L． Effect of different grain structures on centerline macrosegregation during direct-chill cast￾ing． Acta Mater，2008，56( 6) : 1358 ［14］ Zhong G，Wu S S，Jiang H W，et al． Effects of ultrasonic vibra￾tion on the iron-containing intermetallic compounds of high silicon aluminum alloy with 2% Fe． J Alloys Compd，2010，492( 1 /2) : 482 ·670·