超聲熔體處理技術(shù)對(duì)7075 鋁合金鑄態(tài)組織及性能的影響

孟憲林

（沈陽(yáng)遠(yuǎn)大裝備科技有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110027）

鋁合金晶粒的大小直接影響其力學(xué)性能，細(xì)晶強(qiáng)化可以提高鋁合金的力學(xué)性能和改善鋁合金變形的均勻性[1]。

鋁合金細(xì)晶強(qiáng)化的方法有技術(shù)主要有熔體過(guò)熱法、變質(zhì)處理法、合金元素添加法和熔體攪拌法等。超聲（Ultrasonic）細(xì)化屬于合金熔體攪拌法的一種方式，其原理是利用超聲場(chǎng)在熔體中產(chǎn)生的聲空化和聲流效應(yīng)達(dá)到除氣和細(xì)化組織的目的[2，3]。

合金熔體在凝固過(guò)程中進(jìn)行超聲處理會(huì)使晶粒變細(xì)，改變其中一些物理機(jī)械性質(zhì)，如延伸率，強(qiáng)度和變形特性等等。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)合金

以航空航天領(lǐng)域常用的7075 鋁合金為研究對(duì)象，分別研究了單純的重力鑄造（無(wú)超聲）和超聲鑄造的鑄棒，通過(guò)對(duì)金相和力學(xué)性能的檢測(cè)，定性研究超聲對(duì)7075 鋁合金鑄棒的影響，具體試驗(yàn)條件如表1 所示。

表1 試驗(yàn)條件

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備如下圖1 所示，采用井式坩堝爐將鋁合金原料加熱至熔融狀態(tài)，采用沈陽(yáng)遠(yuǎn)大裝備科技有限公司自主研發(fā)的超聲輔助鑄造設(shè)備，將超聲振動(dòng)引入到熔融鋁合金熔體當(dāng)中。在鑄造時(shí)，超聲波通過(guò)工具頭引入到鋁合金熔體中，此次試驗(yàn)分別針對(duì)兩種合金，在不同溫度，進(jìn)行超聲輔助除氣和細(xì)化晶粒處理，對(duì)比鋁合金試樣在不同試驗(yàn)條件下的組織和機(jī)械性能。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

超聲波輔助鑄造設(shè)備主要由超聲波發(fā)生器（超聲電源）、超聲波換能器、變幅桿、工具頭、不銹鋼坩堝及電阻爐等組成。

超聲裝置的功率為3kW，工作主頻率為20kHz，并且具有連續(xù)可調(diào)節(jié)、頻率可跟蹤的特點(diǎn)，用于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)熔體的超聲處理。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)樣品用水磨金相砂紙打磨至鏡面，表面粗糙度約為Ra0.4，使用硝酸酒精溶液對(duì)合金表面進(jìn)行腐蝕，以觀(guān)察其金相組織，使用蔡司熱場(chǎng)Gemini SEM 300 掃描電鏡觀(guān)測(cè)晶相尺寸及微觀(guān)結(jié)構(gòu)成分分析。

圖2 蔡司Gemini SEM 300 掃描電子顯微鏡

2.1 金相分析

圖3 未經(jīng)處理的7075 鋁合金金相形貌

由圖3 可以看出，7075 鋁合金在未經(jīng)超聲處理處理?xiàng)l件下，最大晶粒尺寸約180μm，平均晶粒尺寸約為100-120μm，最小晶粒尺寸為30μm。從能譜分析可以看出，合金元素Mg、Cu 和Zn在晶界處發(fā)生一定程度的富集，但第二相組織尺寸較小。

圖4 7075 鋁合金在680℃引入超聲處理后的鑄態(tài)組織形貌

由圖4 可以看出，7075 鋁合金在680℃下，經(jīng)過(guò)超聲處理，最大晶粒尺寸約60μm，平均晶粒尺寸約為30μm，最小晶粒尺寸為10μm。從能譜分析可以看出，合金元素Mg、Cu 和Zn 在晶界處發(fā)生明顯富集，且形成了粗大的第二相組織。

圖5 7075 鋁合金在700℃下引入超聲處理的鑄態(tài)組織形貌

由圖5 可以看出，7075 鋁合金在700℃下，經(jīng)過(guò)超聲處理，最大晶粒尺寸約60μm，平均晶粒尺寸約為30μm，最小晶粒尺寸為10μm。從能譜分析可以看出，合金元素Mg、Cu 和Zn 在晶界處發(fā)生明顯富集，且形成了粗大的第二相組織。

2.2 力學(xué)性能分析

圖6 拉伸試樣圖紙

鋁合金鑄錠根據(jù)國(guó)標(biāo)要求，加工成如圖6 所示試樣，進(jìn)行力學(xué)拉伸試驗(yàn)，將相同鑄造條件鑄錠分為鑄態(tài)和熱處理態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析，均質(zhì)化時(shí)效熱處理制度為450℃×4h+140℃×34h，所得力學(xué)性能對(duì)比如下圖7 所示。

圖7 不同條件下7075 鋁合金力學(xué)性能

（NC-未進(jìn)行超聲處理 Y6-在680℃條件下進(jìn)行超聲處理 Y7-在700℃條件下進(jìn)行超聲處理 TS-抗拉強(qiáng)度 YS-屈服強(qiáng)度 TS2-未經(jīng)熱處理試樣的抗拉強(qiáng)度 YS2-未經(jīng)熱處理試樣的屈服強(qiáng)度）

對(duì)比圖7 中力學(xué)性能可以看出，在相同熱處理狀態(tài)下，經(jīng)超聲處理的鋁合金性能明顯優(yōu)于未熱處理鋁合金，性能提升效果可以達(dá)到60%左右；熱處理過(guò)程可以繼承超聲波處理對(duì)鋁合金性能的提升效果，而且，超聲波處理對(duì)熱處理過(guò)程有良性影響，即可以提高熱處理過(guò)程對(duì)材料性能提升的幅度。

圖8 140℃條件下時(shí)效時(shí)間對(duì)試樣硬度的影響

圖8 顯示了試驗(yàn)樣件的硬度在140℃條件下進(jìn)行處理，時(shí)效時(shí)間對(duì)試樣硬度的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣硬度最大值出現(xiàn)在17 小時(shí)，并且不同試驗(yàn)條件的樣件獲得最大硬度值的時(shí)效時(shí)間相同，并且通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)超聲處理的樣品在所有時(shí)間都具有更高的硬度。

2.3 理論分析

將大功率超聲設(shè)備輸出的超聲振動(dòng)引入到鋁合金熔體過(guò)程當(dāng)中，熔體內(nèi)部產(chǎn)生大量的空化泡，空化泡迅速發(fā)生崩潰，產(chǎn)生高能沖擊波，將結(jié)晶長(zhǎng)大的晶粒打碎，抑制了晶粒的長(zhǎng)大，被破碎的晶體結(jié)構(gòu)在聲流的攪拌作用下，彌散地分布在熔體里，提高了形核率，所以凝固后的基體晶粒變成細(xì)小、均勻的等軸晶。超聲波的攪拌作用，可以明顯提高溫度和化學(xué)成分的均勻性，抑制柱狀晶的產(chǎn)生，減少偏析現(xiàn)象。由于超聲波的晶粒細(xì)化作用，晶粒的數(shù)量迅速增加，從而使材料內(nèi)部晶界數(shù)量顯著增加，晶界數(shù)量的增加阻止了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生，提升了材料的塑性變形抗力，即增加了材料的硬度。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)過(guò)超聲處理后的7075 鋁合金有效的促進(jìn)了其晶粒細(xì)化程度，抑制了第二相MgZn2在晶粒內(nèi)的析出，并促進(jìn)其在晶界處的均勻分布。

（2）7075 鋁合金經(jīng)過(guò)超聲處理后，硬度值和力學(xué)性能均得到了明顯的提高，并且這種增幅可以伴隨熱處理工藝而被保留，使材料性能得到更大幅度的提升。

（3）超聲波處理所產(chǎn)生的空化效應(yīng)、破碎效應(yīng)和聲流攪拌效應(yīng)，是促進(jìn)合金晶粒細(xì)化和第二相析出的主要原因。