超声外场对不同温控状态下ZL205A铝合金凝固规律的影响

工程科学学报，第41卷，第8期：1007-1015,2019年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.8:1007-1015,August 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.006;http://journals.ustb.edu.cn 超声外场对不同温控状态下ZL205A铝合金凝固规律 的影响 商 兵12)，蒋日鹏2,3)，李晓谦12)，李瑞卿23》，张昀2)，张立华12) 1)中南大学机电工程学院，长沙4100832)中南大学轻合金研究院，长沙410083 3)中南大学高性能复杂制造国家重点实验室，长沙410083 ☒通信作者，E-mail:jiangripeng@163.com 摘要采用不同的超声外场处理熔体工艺，研究了其对铸锭质量的作用机理与改善效果.针对保温(750℃)和空冷（从750 ℃空冷7min10s至约650℃)两种不同温控状态下的ZL205A铝合金熔体，分别进行相同参数的超声场处理，研究超声场对凝 固组织的影响规律，并利用力学拉伸实验进行验证.研究结果表明：在保温状态下对熔体施加超声处理，具有较好的除气与改 善第二相组织分布的效果：在空冷状态下施加超声处理则可以消除集中缩孔，显著细化晶粒：当在保温和空冷条件下全程采 用超声处理，铸锭内部质量的改善效果最佳.力学性能的测试结果与铸锭凝固组织的变化规律具有一致性，验证了上述结论. 综上，对不同温控状态下的熔体施加超声处理，对熔体凝固过程的影响不同，对铸锭内部质量的改善效果也各有侧重. 关键词超声波处理：ZI205A铝合金：补缩性能：凝固组织：熔体 分类号TG249.9 Effect of ultrasonic outfield on solidification rules of ZL205A aluminum alloy under different temperature-control states SHANG Bing),JIANG Ri--peng2a,山Xiao-gian2),山Rui-ging2》,ZHANG Yun2-》,ZHANG Li--ha2) 1)College of Mechanical and Electrical Engineering,Central South University,Changsha 410083,China 2)Light Alloy Research Institute,Central South University,Changsha 410083,China 3)State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing,Central South University,Changsha 410083,China Corresponding author,E-mail:jiangripeng@163.com ABSTRACT Since the development of the aviation industry,improving the flight performance and reducing the weight of aircrafts has always been the goal pursued by aviation designers.Therefore,it becomes increasingly important to develop a new alloy material with high hardness,high strength,and light weight.To obtain excellent mechanical properties and good corrosion resistance,a new kind of alloy material,Z1205A alloy,was developed by the Beijing Institute of Aerial Materials (BAM)in the 1960s.Owing to its favorable mechanical properties and excellent corrosion resistance,Z1205A alloy has been well applied in the aviation industry.However,this kind of Al alloy still possesses some undesirable solidification defects:shrinkage,porosities,coarsening grains,and solute segregation. Ultrasonic melt treatment (UST)provides a means to eliminate or modify these defects.In the present work,the effects of UST on Z1205A alloy were investigated for two conditions,i.e.,before casting and during solidification in ambient environment.Then,the effects of ultrasonication on the as-cast microstructures and the tensile properties were accordingly characterized and analyzed.For the case in which UST was only introduced before casting (holding temperature at 750 C),degassing and the distribution of secondary phases were modified.For the case in which UST was only introduced when cooling from 750 C for 7 min 10s to about 650 C,grain re- 收稿日期：2018-07-16 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51575539)：湖南省自然科学基金资助项目(2017B391):湖南省科技重大专项资助项目 (2016GK1004)

工程科学学报,第 41 卷,第 8 期:1007鄄鄄1015,2019 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 8: 1007鄄鄄1015, August 2019 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2019. 08. 006; http: / / journals. ustb. edu. cn 超声外场对不同温控状态下 ZL205A 铝合金凝固规律 的影响 商 兵1,2) , 蒋日鹏2,3) 苣 , 李晓谦1,2) , 李瑞卿2,3) , 张 昀2,3) , 张立华1,2) 1)中南大学机电工程学院, 长沙 410083 2)中南大学轻合金研究院, 长沙 410083 3)中南大学高性能复杂制造国家重点实验室, 长沙 410083 苣通信作者, E鄄mail: jiangripeng@ 163. com 摘 要 采用不同的超声外场处理熔体工艺,研究了其对铸锭质量的作用机理与改善效果. 针对保温(750 益 )和空冷(从 750 益 空冷 7 min 10 s 至约 650 益 )两种不同温控状态下的 ZL205A 铝合金熔体,分别进行相同参数的超声场处理,研究超声场对凝 固组织的影响规律,并利用力学拉伸实验进行验证. 研究结果表明:在保温状态下对熔体施加超声处理,具有较好的除气与改 善第二相组织分布的效果;在空冷状态下施加超声处理则可以消除集中缩孔,显著细化晶粒;当在保温和空冷条件下全程采 用超声处理,铸锭内部质量的改善效果最佳. 力学性能的测试结果与铸锭凝固组织的变化规律具有一致性,验证了上述结论. 综上,对不同温控状态下的熔体施加超声处理,对熔体凝固过程的影响不同,对铸锭内部质量的改善效果也各有侧重. 关键词 超声波处理; ZL205A 铝合金; 补缩性能; 凝固组织; 熔体 分类号 TG249郾 9 收稿日期: 2018鄄鄄07鄄鄄16 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 51575539 ); 湖南省自然科学基金资助项目 ( 2017JJ3391 ); 湖南省科技重大 专 项 资 助 项 目 (2016GK1004) Effect of ultrasonic outfield on solidification rules of ZL205A aluminum alloy under different temperature鄄control states SHANG Bing 1,2) , JIANG Ri鄄peng 2,3) 苣 , LI Xiao鄄qian 1,2) , LI Rui鄄qing 2,3) , ZHANG Yun 2,3) , ZHANG Li鄄hua 1,2) 1) College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China 2) Light Alloy Research Institute, Central South University, Changsha 410083, China 3) State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China 苣Corresponding author, E鄄mail: jiangripeng@ 163. com ABSTRACT Since the development of the aviation industry, improving the flight performance and reducing the weight of aircrafts has always been the goal pursued by aviation designers. Therefore, it becomes increasingly important to develop a new alloy material with high hardness, high strength, and light weight. To obtain excellent mechanical properties and good corrosion resistance, a new kind of alloy material, ZL205A alloy, was developed by the Beijing Institute of Aerial Materials (BAM) in the 1960s. Owing to its favorable mechanical properties and excellent corrosion resistance, ZL205A alloy has been well applied in the aviation industry. However, this kind of Al alloy still possesses some undesirable solidification defects: shrinkage, porosities, coarsening grains, and solute segregation. Ultrasonic melt treatment (UST) provides a means to eliminate or modify these defects. In the present work, the effects of UST on ZL205A alloy were investigated for two conditions, i. e. , before casting and during solidification in ambient environment. Then, the effects of ultrasonication on the as鄄cast microstructures and the tensile properties were accordingly characterized and analyzed. For the case in which UST was only introduced before casting ( holding temperature at 750 益 ), degassing and the distribution of secondary phases were modified. For the case in which UST was only introduced when cooling from 750 益 for 7 min 10 s to about 650 益 , grain re鄄

·1008· 工程科学学报，第41卷，第8期 finement and reduced porosities were generated.When UST was continuously employed for both conditions,the above properties were further improved compared with those of ingots without ultrasonic treatment.The mechanical tensile test results show that the improve- ment of the ingot internal structure can improve the ingot mechanical tensile properties,which proves the correctness of the above re- search results.Thus,UST carried out at two different conditions induced different regulatory functions and influencing mechanisms. This study shows that the UST of ZL205A aluminum alloy in different melt states has different emphases on improving the internal struc- ture of the ingot. KEY WORDS ultrasonic treatment;Z1205A aluminum alloy;shrinkage performance;solidification structure;melt ZL205A铝合金是一种性能优异的铝合金材料， 子试验机等 经过热处理后该铝合金屈服强度可达500MPa,是 1.2实验过程 目前综合力学性能最高的一种铝合金)，因此 取4块质量约为1200g的ZL205A坯锭分别放 ZL205A铝合金受到很多航空器设计师和武器设计 入4个坩埚中，并分别编号为1~4号，然后将坩埚 师的青睐2-].但该铝合金在工业应用方面受到合 放入电阻炉中进行合金熔炼，熔炼温度设为750℃， 金元素种类多、成分范围窄、结晶温度范围宽等因素 熔炼时间200mim,待铝块完全熔化后进行精炼扒渣 制约，而在制备大型铸件时伴随铸件尺寸的增大，出 处理，精炼完毕后进行730℃保温处理30mim. 现了成分偏析和组织疏松缩孔等问题[4-]，这些问 1号坩埚在保温处理结束后取出，空冷（将坩埚 题严重制约着该材料在航空航天领域的推广. 取出放置在空气中冷却)至熔体温度降到650℃时 现有研究表明，超声外场调控铸锭凝固可以有 进行水冷（铝熔体冷却至650℃所用时间t=7min 效促进熔体中溶质再分配，去除熔体中溶解的气体， 10s),冷却至常温后取出铸锭，整个过程中不加入 细化铸锭晶粒，还能减少合金成分偏析和组织疏松 任何超声处理，铸锭标记为1” 等铸造缺陷，有利于提升铝合金铸锭品质4.7-8]：而 2号坩埚在保温过程后半段（后半段保温温度 且超声波铸造技术操作方便、成本低廉、使用技术门 稳定)加入功率300±20W,频率为20000±50Hz的 槛低.本文将参考该技术思路，针对ZL205A铝合金 超声处理20min(称超声预处理)，其他处理条件与 研究超声外场对其不同熔体状态下的凝固规律的影 1相同（空冷时长为t时水冷），铸锭标记为2 响，分析超声作用机理，最大程度地发挥超声冶金的 3号坩埚在空冷过程前半段加人功率300±20 效果，并为ZL205A铝合金铸件质量的提升提供工 W,频率为20000±50Hz的超声处理6min(称空冷 艺参考 超声处理)，其他实验条件与1相同（空冷加超声处 1实验材料和过程 理总时长为t时水冷)，铸锭标记为3 4号坩埚在保温过程中加入与2相同的超声波 1.1实验材料及设备 处理，在空冷过程中加入与3相同的超声处理，（空 实验选取ZL205A铝合金坯锭，切割成块状进 冷加超声处理总时长为t时水冷)，铸锭标记为4. 行二次熔炼，其成分如表1所示] 图1为实验装置示意图，表2为铸锭处理工艺 表1实验用ZL205A铝合金材料成分（质量分数） 对照表，将铸锭从中间切开，在铸锭芯部取样，经过 Table 1 Aluminum alloy composition of Z1205A in experiment% 超声换能器 Cu Mn Ti Cd V Zr Zn Al 定位法兰盘 4.90.480.20.190.120.080.08余量 升降操作台 实验设备主要为超声设备、辅助设备、检测设 超声辐射杆 备.其中超声设备为超声波电源控制系统1台（其 石墨坩埚 输出功率有级可调，输出频率为20kHz±0.5kHz), 铝熔体 超声振动系统1套（主要包括PZT压电陶瓷换能 器，变幅杆和钛合金辐射杆)：辅助设备为电阻丝加 耐火砖 热炉及温度控制记录仪、液压式位移操作台、K型热 电阻炉 电偶、线切割设备以及石墨坩埚若干：检测设备为 图1实验装置示意图 Leica台式金相显微镜、TESCAN扫描电镜、万能电 Fig.I A schematic diagram of the experimental device

工程科学学报,第 41 卷,第 8 期 finement and reduced porosities were generated. When UST was continuously employed for both conditions, the above properties were further improved compared with those of ingots without ultrasonic treatment. The mechanical tensile test results show that the improve鄄 ment of the ingot internal structure can improve the ingot mechanical tensile properties, which proves the correctness of the above re鄄 search results. Thus, UST carried out at two different conditions induced different regulatory functions and influencing mechanisms. This study shows that the UST of ZL205A aluminum alloy in different melt states has different emphases on improving the internal struc鄄 ture of the ingot. KEY WORDS ultrasonic treatment; ZL205A aluminum alloy; shrinkage performance; solidification structure; melt ZL205A 铝合金是一种性能优异的铝合金材料, 经过热处理后该铝合金屈服强度可达 500 MPa,是 目前综 合 力 学 性 能 最 高 的 一 种 铝 合 金[1] , 因 此 ZL205A 铝合金受到很多航空器设计师和武器设计 师的青睐[2鄄鄄3] . 但该铝合金在工业应用方面受到合 金元素种类多、成分范围窄、结晶温度范围宽等因素 制约,而在制备大型铸件时伴随铸件尺寸的增大,出 现了成分偏析和组织疏松缩孔等问题[4鄄鄄6] ,这些问 题严重制约着该材料在航空航天领域的推广. 现有研究表明,超声外场调控铸锭凝固可以有 效促进熔体中溶质再分配,去除熔体中溶解的气体, 细化铸锭晶粒,还能减少合金成分偏析和组织疏松 等铸造缺陷,有利于提升铝合金铸锭品质[4,7鄄鄄8] ;而 且超声波铸造技术操作方便、成本低廉、使用技术门 槛低. 本文将参考该技术思路,针对 ZL205A 铝合金 研究超声外场对其不同熔体状态下的凝固规律的影 响,分析超声作用机理,最大程度地发挥超声冶金的 效果,并为 ZL205A 铝合金铸件质量的提升提供工 艺参考. 1 实验材料和过程 1郾 1 实验材料及设备 实验选取 ZL205A 铝合金坯锭,切割成块状进 行二次熔炼,其成分如表 1 所示[7] . 表 1 实验用 ZL205A 铝合金材料成分(质量分数) Table 1 Aluminum alloy composition of ZL205A in experiment % Cu Mn Ti Cd V Zr Zn Al 4郾 9 0郾 48 0郾 2 0郾 19 0郾 12 0郾 08 0郾 08 余量 实验设备主要为超声设备、辅助设备、检测设 备. 其中超声设备为超声波电源控制系统 1 台(其 输出功率有级可调,输出频率为 20 kHz 依 0郾 5 kHz), 超声振动系统 1 套(主要包括 PZT 压电陶瓷换能 器,变幅杆和钛合金辐射杆);辅助设备为电阻丝加 热炉及温度控制记录仪、液压式位移操作台、K 型热 电偶、线切割设备以及石墨坩埚若干;检测设备为 Leica 台式金相显微镜、TESCAN 扫描电镜、万能电 子试验机等. 1郾 2 实验过程 取 4 块质量约为 1200 g 的 ZL205A 坯锭分别放 入 4 个坩埚中,并分别编号为 1 ~ 4 号,然后将坩埚 放入电阻炉中进行合金熔炼,熔炼温度设为 750 益 , 熔炼时间 200 min,待铝块完全熔化后进行精炼扒渣 处理,精炼完毕后进行 730 益保温处理 30 min. 1 号坩埚在保温处理结束后取出,空冷(将坩埚 取出放置在空气中冷却)至熔体温度降到 650 益 时 进行水冷(铝熔体冷却至 650 益 所用时间 t = 7 min 10 s),冷却至常温后取出铸锭,整个过程中不加入 任何超声处理,铸锭标记为 1 # . 2 号坩埚在保温过程后半段(后半段保温温度 稳定)加入功率 300 依 20 W,频率为 20000 依 50 Hz 的 超声处理 20 min(称超声预处理),其他处理条件与 1 相同(空冷时长为 t 时水冷),铸锭标记为 2 # . 3 号坩埚在空冷过程前半段加入功率 300 依 20 W,频率为 20000 依 50 Hz 的超声处理 6 min(称空冷 超声处理),其他实验条件与 1 相同(空冷加超声处 理总时长为 t 时水冷),铸锭标记为 3 # . 4 号坩埚在保温过程中加入与 2 相同的超声波 处理,在空冷过程中加入与 3 相同的超声处理,(空 冷加超声处理总时长为 t 时水冷),铸锭标记为 4 # . 图 1 实验装置示意图 Fig. 1 A schematic diagram of the experimental device 图 1 为实验装置示意图,表 2 为铸锭处理工艺 对照表,将铸锭从中间切开,在铸锭芯部取样,经过 ·1008·

商兵等：超声外场对不同温控状态下ZL205A铝合金凝固规律的影响 ·1009· 研磨和抛光后，利用keller试剂进行浸蚀后冲洗、吹 观地看出铸锭1和铸锭2"出现了缩孔现象，其中铸 干、标记，使用金相显微镜和扫描电镜Scanning 锭2"较铸锭1"出现的缩孔小铸锭3和铸锭4无 Electron Microscope(SEM)观察分析凝固组织，并在 明显缩孔 每个铸锭中取四个样本做力学拉伸实验，用以验证 相关文献报道超声波在液体中传播会产生超声 实验结果.为防止工具探头对铝熔体的激冷作用， 热效应9-0].当温度在液相线以上670~645℃间 将超声杆工具头，测温仪工具头在接触铝熔体前预 铝熔体温度升较明显[).这是由于超声波在熔体传 热至600℃：为减小移除超声杆时引起的铝熔体的 播过程中，熔体吸收超声纵向波，且超声外场加剧熔 波动，同时保持一定的浸入深度让超声杆工具头穿 体间内摩擦，导致熔体升温.当熔体温度下降时，黏 过铝熔体表面的氧化膜，工具头浸入熔体深度为5mm. 度上升，超声加剧熔体内摩擦的现象更明显，所以空 表2铸锭处理工艺对照表 冷过程的熔体中超声热效应较保温过程的熔体中更 Table 2 Comparison of experimental samples 强，因此铸锭3·和4在水冷之前的温度略高于铸锭 铸锭编号 超声预处理 空冷超声处理 1"和2，导致铸锭3"和4在水冷时的实际温度梯度 1 也略大于1"和2”.当熔体凝固过程中若温度梯度太 2 时长20min 小时，芯部熔体流动性不足，因凝固收缩带来的熔体 3 时长6min 4 时长20min 时长6mim 内空隙会无法得到新的熔体补充而产生缩孔口. 目前应用最为广泛的缩松缩孔判据函数为Ny 2实验结果与分析 ama函数f) (1) 2.1铸锭宏观形貌及超声对熔体凝固补缩性能的 影响分析 式中，G为凝固温度梯度值，V为冷却速度值，A为临 图2为铸锭宏观组织形貌图，从图2中可以直 界常数 (a) (b) 缩孔 缩孔 161711920211113241521729301313 07移9912224活2净7913U845 100mm 100mm c (d) 5161718192011122524244111n293推3111 51617189#2122133425202725293033233 100mt 100mm 图2铸锭内部宏观形貌图.(a)1铸锭：(b)2*铸锭：(c)3*铸锭：(d)4*铸锭 Fig.2 Macroscopic morphology of as-cast ingot:(a)1 ingot;(b)2 ingot;(c)3 ingot;(d)4 ingot

商 兵等: 超声外场对不同温控状态下 ZL205A 铝合金凝固规律的影响 研磨和抛光后,利用 keller 试剂进行浸蚀后冲洗、吹 干、标记, 使用 金 相 显 微 镜 和 扫 描 电 镜 Scanning Electron Microscope(SEM)观察分析凝固组织,并在 每个铸锭中取四个样本做力学拉伸实验,用以验证 实验结果. 为防止工具探头对铝熔体的激冷作用, 将超声杆工具头,测温仪工具头在接触铝熔体前预 热至 600 益 ;为减小移除超声杆时引起的铝熔体的 波动,同时保持一定的浸入深度让超声杆工具头穿 过铝熔体表面的氧化膜,工具头浸入熔体深度为5 mm. 表 2 铸锭处理工艺对照表 Table 2 Comparison of experimental samples 铸锭编号 超声预处理 空冷超声处理 1 # 2 # 时长 20 min 3 # 时长 6 min 4 # 时长 20 min 时长 6 min 图 2 铸锭内部宏观形貌图 郾 (a) 1 #铸锭; (b) 2 #铸锭; (c) 3 #铸锭; (d) 4 #铸锭 Fig. 2 Macroscopic morphology of as鄄cast ingot: (a) 1 # ingot; (b) 2 # ingot; (c) 3 # ingot; (d) 4 # ingot 2 实验结果与分析 2郾 1 铸锭宏观形貌及超声对熔体凝固补缩性能的 影响分析 图 2 为铸锭宏观组织形貌图,从图 2 中可以直 观地看出铸锭 1 #和铸锭 2 #出现了缩孔现象,其中铸 锭 2 #较铸锭 1 #出现的缩孔小. 铸锭 3 #和铸锭 4 #无 明显缩孔. 相关文献报道超声波在液体中传播会产生超声 热效应[9鄄鄄10] . 当温度在液相线以上 670 ~ 645 益 间 铝熔体温度升较明显[9] . 这是由于超声波在熔体传 播过程中,熔体吸收超声纵向波,且超声外场加剧熔 体间内摩擦,导致熔体升温. 当熔体温度下降时,黏 度上升,超声加剧熔体内摩擦的现象更明显,所以空 冷过程的熔体中超声热效应较保温过程的熔体中更 强,因此铸锭 3 #和 4 #在水冷之前的温度略高于铸锭 1 #和 2 # ,导致铸锭 3 #和 4 #在水冷时的实际温度梯度 也略大于 1 #和 2 # . 当熔体凝固过程中若温度梯度太 小时,芯部熔体流动性不足,因凝固收缩带来的熔体 内空隙会无法得到新的熔体补充而产生缩孔[1] . 目前应用最为广泛的缩松缩孔判据函数为 Niy鄄 ama 函数[11] G V > A (1) 式中,G 为凝固温度梯度值,V 为冷却速度值,A 为临 界常数. ·1009·

·1010· 工程科学学报，第41卷，第8期 当Niyama函数值小于临界常数A时，铸锭就会 尺寸比空冷未加超声处理的铸锭更加均匀细小，对 出现缩松缩孔现象.从该表达式中可以看出，当凝 比图3(a)和图3(b)可知，施加超声预处理的铸锭 固温度梯度G值增大时，函数值Niyama函数值也增 品粒尺寸比未施加超声预处理的铸锭更均匀细小 大，而本实验中铸锭采取的是都是相同的冷却方式， 目前研究表明，超声空化效应是铸锭凝固组织 则冷却速度V为定值，所以当凝固温度梯度G>G 细化的主要作用机制，超声空化作用即超声场中的 (Gn为冷却速度V为定值、Niyama函数值等于A时 液态熔体在周期性交变声压的作用下产生大量的空 的凝固温度梯度值)时铸锭无缩孔现象综上可知： 化泡，这些空化泡在长大过程中，由于尺寸的迅速增 在熔体液相线以上较低的温度区间施加超声外场可 大，其内部熔体蒸发，然后吸收周围的热量，导致其 有效改善铸锭缩孔现象 附近熔体迅速过冷，诱发结晶，形成大量晶核 2.2微观组织形貌与超声处理效果分析 超声预处理温度保持在730℃，温度较高，超声处理 2.2.1铸锭晶粒等级划分结果和超声细化晶粒效 结束后，已形成的大量品核又重新溶解在熔体中，所 果分析 以晶粒细化效果不明显，但是由于超声的声流效应 图3是铸锭品粒组织检测结果，由图可知施加 能够促进溶质再分配，尤其是具有细品强化作用的 超声预处理的铸锭微观组织疏松缺陷明显少于未施 T原子的再分配)，导致超声预处理俦锭的晶粒组 加超声处理的铸锭.空冷加超声预处理的铸锭晶粒 织得到改善：在空冷过程中超声持续作用，且超声处 a 200Hm 200um 200Hm 200m 200 e 60 120 吃 1 特锭编号 图3晶粒组织及平均直径.(a)1铸锭：(b)2铸锭：(c)3*铸锭：(d)4铸锭：(e)品粒平均直径柱状图 Fig.3 Structures and average diameter of grain:(a)1*ingot;(b)2*ingot;(c)3*ingot;(d)4*ingot;(e)the histogram of average grain sizes

工程科学学报,第 41 卷,第 8 期 当 Niyama 函数值小于临界常数 A 时,铸锭就会 出现缩松缩孔现象. 从该表达式中可以看出,当凝 固温度梯度 G 值增大时,函数值 Niyama 函数值也增 大,而本实验中铸锭采取的是都是相同的冷却方式, 则冷却速度 V 为定值,所以当凝固温度梯度 G > G0 (G0为冷却速度 V 为定值、Niyama 函数值等于 A 时 的凝固温度梯度值)时铸锭无缩孔现象. 综上可知: 在熔体液相线以上较低的温度区间施加超声外场可 有效改善铸锭缩孔现象. 2郾 2 微观组织形貌与超声处理效果分析 2郾 2郾 1 铸锭晶粒等级划分结果和超声细化晶粒效 果分析 图 3 晶粒组织及平均直径 郾 (a) 1 #铸锭; (b) 2 #铸锭; (c) 3 #铸锭; (d) 4 #铸锭; (e) 晶粒平均直径柱状图 Fig. 3 Structures and average diameter of grain: (a) 1 # ingot; (b) 2 # ingot; (c) 3 # ingot; (d) 4 # ingot; (e) the histogram of average grain sizes 图 3 是铸锭晶粒组织检测结果,由图可知施加 超声预处理的铸锭微观组织疏松缺陷明显少于未施 加超声处理的铸锭. 空冷加超声预处理的铸锭晶粒 尺寸比空冷未加超声处理的铸锭更加均匀细小,对 比图 3(a)和图 3(b)可知,施加超声预处理的铸锭 晶粒尺寸比未施加超声预处理的铸锭更均匀细小. 目前研究表明,超声空化效应是铸锭凝固组织 细化的主要作用机制, 超声空化作用即超声场中的 液态熔体在周期性交变声压的作用下产生大量的空 化泡,这些空化泡在长大过程中,由于尺寸的迅速增 大,其内部熔体蒸发,然后吸收周围的热量,导致其 附近熔体迅速过冷,诱发结晶,形成大量晶核[12] . 超声预处理温度保持在 730 益 ,温度较高,超声处理 结束后,已形成的大量晶核又重新溶解在熔体中,所 以晶粒细化效果不明显,但是由于超声的声流效应 能够促进溶质再分配,尤其是具有细晶强化作用的 Ti 原子的再分配[13] ,导致超声预处理铸锭的晶粒组 织得到改善;在空冷过程中超声持续作用,且超声处 ·1010·

商兵等：超声外场对不同温控状态下ZL205A铝合金凝固规律的影响 ·1011· 理结束时熔体温度为650℃左右，已接近ZIL205A铝 (如图5(b)所示)，这两种机制导致空化泡不断吸 合金的熔点，所以超声空化效应产生的晶核仍有一 氢膨胀，然后形成更大的气泡从熔体中上浮逸出] 部分存在熔体内，使得空冷超声处理的熔体在凝固 (如图5(c)所示) 时熔体内的晶核数量较超声预处理的熔体多，因此 保温状态下超声预处理实验中，施加超声的时 晶粒细化效果更好 间为20min,而空冷超声预处理实验中超声的施加 2.2.2气孔观测结果与分析 时间为6min,超声处理时间越长，越有利于氢气从 图4为铸锭气孔等级柱状图，从图中可以看出 熔体中逸出，且保温状态下铝熔体温度更高，根据 经过超声预处理的铸锭气孔等级下降了1~2级，这 Arrheniu公式a]可知 一结果证明了超声预处理具有良好的除气效果，已 刀sCe0 (2) 知铝熔体中溶解的气体80%以上为氢气，所以将除 式中，)为动力黏度，C为频率因子，E,为黏流活化 气过程近似看成除氢过程，而铝熔体中未除掉的氢 能，R为气体常数，T为熔体绝对温度 气则以气孔或疏松（如图3(a)和图3(c)所示）的形 由上式可知当熔体温度升高时，熔体动力黏度 式存在于铸锭内[)] 下降.目前的研究表明，温度的提高，不仅降低铝熔 P 体的黏度，还会降低铝熔体的表面张力，有利于空化 效应的产生，且会加大空化效应幅值].当熔体温 度从730℃下降至650℃时，超声空化效应减弱，除 气效果下降，且熔体动力黏度和表面张力的上升不 利于已形成的气泡从熔体中上浮逸出，所以超声预 处理对熔体有更好的除气效果.铸锭3和4"由于在 移除超声杆时液面发生轻微波动，且熔体表面氧化 膜的完整性被破坏，导致新的气体卷入熔体，因此气 孔数量增多（铸锭4气孔数量相较于铸锭2也有小 2 铸錠编号 幅增加，但增幅较小，气孔等级仍为3) 2.2.3第二相组织检测结果与分析 图4气孔等级柱状图 Fig.4 Histogram of porosity distribution 图6为铸锭微观组织形貌图，从图中可以看出 经过超声处理的铸锭第二相组织分布情况明显得到 图5为超声除气原理示意图，超声波产生的空 改善，分析对比图6(a)和6(b),图6(c)和6(d)可 化泡在铝熔体中会不断膨胀，空化泡内压强骤降，铝 知经过超声预处理的铸锭第二相组织聚集的现象也 熔体中溶解的气体由于分压差作用扩散到空化泡内 得到改善.图6()为第二相组织占全图面积比例 (如图5(a)所示)，同时膨胀的空化泡壁面为熔体 柱状图，由图6()中可知超声波处理可以有效减少 中游离的氢原子提供大量附着点，吸附在空化泡壁 铸锭的第二相组织析出，尤其是超声波预处理减少 上的氢原子相互结合形成氢气然后融入空化泡中 第二相组织析出的效果更加明显. 知 fej H 熔体中溶解 熔体中游离 H+H=H, 的氢气 的氢原子 H H 膨胀的 H 空化泡 H 图5超声波除气原理示意图.(a)空化泡体积膨胀：(b)吸氢成为气泡：（©）氢气逸出 Fig.5 Schematic illustration of ultrasonic degassing:(a)volume expansion of cavitation bubble;(b)hydrogen absorption as bubbles;(c)hydro- gen evolution

商 兵等: 超声外场对不同温控状态下 ZL205A 铝合金凝固规律的影响 理结束时熔体温度为 650 益左右,已接近 ZL205A 铝 合金的熔点,所以超声空化效应产生的晶核仍有一 部分存在熔体内,使得空冷超声处理的熔体在凝固 时熔体内的晶核数量较超声预处理的熔体多,因此 晶粒细化效果更好. 2郾 2郾 2 气孔观测结果与分析 图 4 为铸锭气孔等级柱状图,从图中可以看出 经过超声预处理的铸锭气孔等级下降了 1 ~ 2 级,这 一结果证明了超声预处理具有良好的除气效果,已 知铝熔体中溶解的气体 80% 以上为氢气,所以将除 气过程近似看成除氢过程,而铝熔体中未除掉的氢 气则以气孔或疏松(如图 3(a)和图 3(c)所示)的形 式存在于铸锭内[7] . 图 4 气孔等级柱状图 Fig. 4 Histogram of porosity distribution 图 5 超声波除气原理示意图 郾 (a) 空化泡体积膨胀; (b) 吸氢成为气泡; (c) 氢气逸出 Fig. 5 Schematic illustration of ultrasonic degassing: (a) volume expansion of cavitation bubble; (b) hydrogen absorption as bubbles; (c) hydro鄄 gen evolution 图 5 为超声除气原理示意图,超声波产生的空 化泡在铝熔体中会不断膨胀,空化泡内压强骤降,铝 熔体中溶解的气体由于分压差作用扩散到空化泡内 (如图 5( a) 所示),同时膨胀的空化泡壁面为熔体 中游离的氢原子提供大量附着点,吸附在空化泡壁 上的氢原子相互结合形成氢气然后融入空化泡中 (如图 5( b)所示),这两种机制导致空化泡不断吸 氢膨胀,然后形成更大的气泡从熔体中上浮逸出[7] (如图 5(c)所示). 保温状态下超声预处理实验中,施加超声的时 间为 20 min,而空冷超声预处理实验中超声的施加 时间为 6 min,超声处理时间越长,越有利于氢气从 熔体中逸出,且保温状态下铝熔体温度更高,根据 Arrheniu 公式[14]可知 浊 = Ce E浊 RT (2) 式中,浊 为动力黏度,C 为频率因子,E浊为黏流活化 能,R 为气体常数,T 为熔体绝对温度. 由上式可知当熔体温度升高时,熔体动力黏度 下降. 目前的研究表明,温度的提高,不仅降低铝熔 体的黏度,还会降低铝熔体的表面张力,有利于空化 效应的产生,且会加大空化效应幅值[15] . 当熔体温 度从 730 益下降至 650 益时,超声空化效应减弱,除 气效果下降,且熔体动力黏度和表面张力的上升不 利于已形成的气泡从熔体中上浮逸出,所以超声预 处理对熔体有更好的除气效果. 铸锭 3 #和 4 #由于在 移除超声杆时液面发生轻微波动,且熔体表面氧化 膜的完整性被破坏,导致新的气体卷入熔体,因此气 孔数量增多(铸锭 4 #气孔数量相较于铸锭 2 #也有小 幅增加,但增幅较小,气孔等级仍为 3). 2郾 2郾 3 第二相组织检测结果与分析 图 6 为铸锭微观组织形貌图,从图中可以看出 经过超声处理的铸锭第二相组织分布情况明显得到 改善,分析对比图 6(a)和 6(b),图 6(c)和 6(d)可 知经过超声预处理的铸锭第二相组织聚集的现象也 得到改善. 图 6( e)为第二相组织占全图面积比例 柱状图,由图 6(e)中可知超声波处理可以有效减少 铸锭的第二相组织析出,尤其是超声波预处理减少 第二相组织析出的效果更加明显. ·1011·