超聲場(chǎng)對(duì)大規(guī)格2A14鋁合金鑄錠組織及力學(xué)性能的

發(fā)布時(shí)間：2021-04-28 03:25:41|瀏覽次數(shù)：721次

超聲場(chǎng)對(duì)大規(guī)格2A14鋁合金鑄錠組織及力學(xué)性能的影響

常夢(mèng)君^{1, 2}，張昀²^,³，蔣日鵬^{1, 2}，李瑞卿^{1, 2,}*
（1.中南大學(xué)輕合金研究院；2.高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3. 中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

摘要通過超聲輔助半連續(xù)鑄造制備了直徑830 mm2A14鋁合金鑄錠，對(duì)鑄錠組織進(jìn)行檢測(cè)分析，結(jié)果表明：在超聲鑄造工藝下，鑄錠心部、1/2半徑位置、邊部的平均晶粒尺寸減小了34.81%、33.06%、28.80%，結(jié)晶相較分散，Cu元素偏析指數(shù)由0.18降到0.09；鑄錠心部、1/2半徑位置固態(tài)氫含量減小了39.5%，39.7%，力學(xué)性能優(yōu)于普通鑄錠?？栈吐暳餍?yīng)使鑄錠晶粒細(xì)化、共晶組織分散細(xì)化、熔體氫含量降低，氣孔或縮松減少，鑄錠力學(xué)性能得到提高。
關(guān)鍵詞 超聲場(chǎng)；晶粒細(xì)化；固態(tài)氫含量；力學(xué)性能
Effect of Ultrasonic Field on the Microstructure and Mechanical Property of Large scale 2A14 Aluminum Alloy Ingot
Chang Mengjun^1,2, Li Ruiqing^1,2^* (1.Light Alloy Research Institute，Central South University; 2.State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing)
Abstract: An 2A14 aluminum alloy ingot with a diameter of 830 mm was prepared by semi-continuous ultrasonic assisted casting. The structure of the ingot was tested and analyzed. The experimental results showed that the average grain size of the core, 1/2 radius, and edges of the ingot was reduced by 34.81%, 33.06%, and 33.06% compared with the ordinary ingot under the ultrasonic assisted casting process. 28.80%, the crystalline phase is relatively dispersed, the Cu element segregation index is reduced from 0.18 to 0.09; the solid hydrogen content in the center of the ingot and the 1/2 radius is reduced by 39.5%, 39.7%, and the mechanical properties are better than those of ordinary ingots. The effects of cavitation and acoustic flow obviously make the ingot grain refinement, the eutectic structure dispersion and refinement, reduce the hydrogen content of the melt, reduce the formation of pores or shrinkage, and improve the mechanical properties of the ingot.
KEY WORDS: Ultrasound field, Grain refinement; Solid hydrogen content; Mechanical properties

1 引言

Al-Cu合金由于其優(yōu)良的力學(xué)性能、鑄造性能、耐熱性能、加工成型性能，廣泛應(yīng)用于航天器、汽車制造等行業(yè)^[1]。大型整體化復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用，不僅減輕了航天器自身重量且提高了機(jī)體疲勞強(qiáng)度，也減少了零件和標(biāo)準(zhǔn)件的連接數(shù)量^[2]。整體化結(jié)構(gòu)件是由大規(guī)格合金鑄錠經(jīng)過軋制、鍛造、擠壓等工藝生產(chǎn)而，鑄錠的質(zhì)量直接影響后續(xù)大型結(jié)構(gòu)件的成形成性，因此高品質(zhì)大規(guī)格鑄錠的制備至關(guān)重要。但由于鑄錠尺寸大，鑄錠中晶粒粗大、疏松、夾渣、偏析嚴(yán)重等問題^[3]。
在合金熔體中引入超聲場(chǎng)改善鑄錠質(zhì)量成為近年來(lái)研究的主題，超聲振動(dòng)產(chǎn)生的空化效應(yīng)與聲流效應(yīng)能使鑄錠晶粒細(xì)化、組織和偏析改善、除氣除雜等^[4-8]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超聲熔體處理技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和機(jī)理探索，Eskin G I和Wang E Q在坩堝實(shí)驗(yàn)中對(duì)鋁合金熔體進(jìn)行超聲處理，發(fā)現(xiàn)了超聲對(duì)細(xì)化合金鑄錠晶粒尺寸和弱化偏析上有十分明顯的作用^[4,5]。Jian X在改變溫度條件下對(duì)A356鋁熔體中施加功率超聲，發(fā)現(xiàn)在液相線溫度施加功率超聲時(shí)，細(xì)化晶粒效果最好^[6]。石婷等人研究了不同功率超聲振動(dòng)與作用時(shí)間，對(duì)A356鋁合金坩堝鑄錠除氣除雜的影響，結(jié)果表明隨著超聲處理時(shí)間的增長(zhǎng)，鑄錠中氣孔率降低^[7]。以上的實(shí)驗(yàn)研究基本針對(duì)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，合金鑄錠尺寸較小。本文首次通過對(duì)超聲輔助半連續(xù)鑄造大規(guī)格Al-Cu合金鑄錠（Φ830 mm× 6000 mm）進(jìn)行檢測(cè)分析，分析超聲處理對(duì)大規(guī)格鑄錠晶粒組織、共晶組織、偏析及固態(tài)氫含量的影響效果及作用機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料采用高純鋁（≥99.85%），Al-Cu、Al-Mn、Al-Si等中間合金及Mn劑、Ti劑等形式。成分為Al-4.50Cu-1.00Si-0.80Mn-0.70Mg-0.2Zn -0.10Ti-0.10Ni wt% 。
主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括20噸熔煉保溫爐、熱頂半連續(xù)鑄造系統(tǒng)、Φ830 mm熱頂結(jié)晶器、超聲振動(dòng)系統(tǒng)、ALSCAN在線測(cè)氫儀等。檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)備有：Leica金相顯微鏡，TESCAN掃描電鏡，SPECTRO-MAXx立式直讀光譜儀，RHEN600固態(tài)測(cè)氫儀，CMT5105萬(wàn)能力學(xué)拉伸試驗(yàn)儀。圖1（a）和（b）為超聲輔助鑄造示意圖和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖。超聲振動(dòng)系統(tǒng)最大輸出功率為3 KW，由超聲電源，帶有空氣冷卻裝置的20 KHz壓電陶瓷換能器，超聲變幅桿和輻射桿組成。
將原料熔煉爐中熔煉，經(jīng)去渣，機(jī)械攪拌，脫氣和精練之澆注。分別進(jìn)行常規(guī)鑄造和超聲振動(dòng)輔助鑄造，超聲輻射桿浸入結(jié)晶器鋁熔體深度為200 mm。最終制備出直徑830 mm，長(zhǎng)度6000 mm的兩種鑄錠，在距離鑄錠上端1000 mm的位置取檢測(cè)樣品，如圖1（c）所示。進(jìn)行微觀組織、宏觀成分，固態(tài)氫含量，力學(xué)性能等分析。

1—超聲輻射桿；2—熱頂；3—水冷結(jié)晶器；4—鑄錠；5—引錠板
圖1 （a）超聲輔助鑄造原理圖；（b）超聲鑄造現(xiàn)場(chǎng)照片；（c）取樣示意圖

3. 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1. 超聲對(duì)顯微組織的影響
圖2為鑄錠金相組織及晶粒尺寸分布圖，鑄錠心部的晶粒較大，普通鑄錠的平均晶粒尺寸為540 μm，沿徑向方向從心部到邊部，晶粒尺寸逐漸變小。普通鑄錠存在大量的縮孔（圖中紅色箭頭所示），在鑄錠心部縮孔尺寸達(dá)到了200 μm，在鑄錠邊部和1/2半徑，均存在不同大小的縮孔。在心部，1/2半徑，邊部超聲鑄錠晶粒尺寸分別減小了35%、33%、29%。

圖2 鑄錠金相圖及晶粒尺寸分布（a）普通鑄錠（b）超聲鑄錠。
3.2. 超聲對(duì)成分偏析及固態(tài)氫含量的影響元素宏觀偏析可由相對(duì)偏析率△C來(lái)評(píng)估^[⁸^]：

式中，

為元素平均含量；Ci為鑄錠某一位置處的元素含量。利用直讀光譜儀，檢測(cè)分析了鑄錠徑向沿心部到邊部的Cu元素成分含量，并按上式處理如圖3所示。圖3顯示了Cu元素在鑄錠徑向不同位置中的宏觀偏析程度。普通鑄錠在邊部位置負(fù)偏析嚴(yán)重，在心部位置正偏析較大。超聲處理改善了心部和邊部的驟變趨勢(shì)，減小了鑄錠整體的正偏析和負(fù)偏析。使偏析范圍從普通鑄錠的0.18降為0.09，表明溶質(zhì)元素在鑄錠中的分布更加均勻。

圖3 Cu元素偏析情況及固態(tài)氫含量：（a）（b）為普通鑄錠心部和1/2半徑檢測(cè)結(jié)果；（c）（d）為超聲鑄錠心部和邊1/2半徑檢測(cè)結(jié)果
用在線測(cè)氫儀測(cè)得常規(guī)和超聲鑄造過程鋁熔體中氫含量值相當(dāng)，鑄造完成后檢測(cè)鑄錠固態(tài)測(cè)氫值如圖3所示。普通鑄錠心部和1/2半徑的固態(tài)樣品測(cè)氫值分別為0.091 cm³?100g^-1，0.088cm³?100g^-1。超聲鑄錠同樣位置分別為0.055cm³?100g^-1，0.053cm³?100g^-1，氫含量分別減小了39.5%，39.7%。
3.3. 超聲對(duì)鑄錠力學(xué)性能的影響
從圖4中可以看出，在三個(gè)取樣位置中，鑄錠心部位置處屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度數(shù)值最小，邊部最大。由于合金未經(jīng)后續(xù)強(qiáng)化處理，仍處于鑄態(tài)組織，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度數(shù)值不高。超聲鑄錠中的晶粒較細(xì)小，結(jié)晶相分布較分散，且鑄錠組織中的氣孔和縮松明顯少于普通鑄錠，這使得在力學(xué)性能上要優(yōu)于普通鑄錠。
功率超聲對(duì)鋁熔體凝固過程的作用機(jī)理主要有空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)，作用在鋁熔體中的超聲波聲壓是一種周期性交變聲壓，存在正壓相和負(fù)壓相。達(dá)到空化閾值后，超聲誘導(dǎo)產(chǎn)生的空化泡在聲壓負(fù)壓相時(shí)膨脹，正壓相時(shí)收縮。在歷經(jīng)數(shù)個(gè)周期后，空化泡崩潰，在崩潰瞬間，空化泡內(nèi)產(chǎn)生局部的高溫高壓，并且伴有微射流（沖擊波）。空化泡產(chǎn)生的微射流一方面能夠提高基體的潤(rùn)濕性，活化異質(zhì)顆粒，從而提高形核率，另一方面，空化泡破裂產(chǎn)生的微射流能有效破碎枝晶臂，產(chǎn)生更多的枝晶碎片，在空化泡作用下，這些枝晶碎片在未熔化的情況下潤(rùn)濕性提高，進(jìn)而又成為更多晶粒的形核中心，從而達(dá)到晶粒細(xì)化效果。并且空化泡在周期性變化過程中不斷吸附熔體中的氣體（主要是氫氣），上浮的紅花跑可以將氫氣帶出鋁熔體，從而達(dá)到除氣的效果。

圖4 鑄錠力學(xué)性能
由于超聲波振動(dòng)在鋁熔體中傳播的逐漸衰減，聲壓由上至下產(chǎn)生一定的壓力梯度，鋁熔體在壓力梯度作用下流動(dòng)，從而形成在超聲振動(dòng)源下方形成熔體環(huán)流，即聲流效應(yīng)。聲流不斷的對(duì)凝固前沿進(jìn)行沖刷，凝固前沿形核長(zhǎng)大的枝晶臂在聲流以及空化泡潰滅產(chǎn)生的高壓沖擊波下破碎分離，并隨聲流流動(dòng)到另一個(gè)空化區(qū)或沉淀到糊狀區(qū)以等軸晶的方式生長(zhǎng)，流動(dòng)中不斷接受聲流的沖刷和空化沖擊波與微射流沖擊，破碎不斷變小，數(shù)量不斷增值。破碎的枝晶與活化顆粒被攪拌并彌散在熔體中，進(jìn)一步增大形核率。

4. 結(jié)論

(1) 超聲空化和聲流效應(yīng)共同作用增強(qiáng)了對(duì)流，促進(jìn)熔體傳熱和溶質(zhì)擴(kuò)散，降低了熔體內(nèi)溫度差異，提高了異質(zhì)顆粒表面潤(rùn)濕性，最終增加了形核位點(diǎn)，促使鑄錠晶粒細(xì)化，Cu元素偏析降低，力學(xué)性能提高。
(2) 熔體中的氫在空化效應(yīng)下，不斷進(jìn)入空化泡，并在在聲流環(huán)流和浮力的作用下，浮出熔體，破裂將氣體排出熔體，熔體氫含量下降，減少了氣孔或縮松的形成。

參考文獻(xiàn)

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通訊作者簡(jiǎn)介：李瑞卿，男，1987年4月出生，工學(xué)博士，中南大學(xué)輕合金研究院講師。研究方向?yàn)椋焊邚?qiáng)輕合金材料制造工藝與仿真。國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（U1637601、51805549）；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2019JJ50807）；湖南省優(yōu)秀博士后創(chuàng)新人才項(xiàng)目（2020RC2002）。

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1 引言

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

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