简介概要

超声作用下半连铸7050铝合金的偏析行为及形成机制

来源期刊:中国有色金属学报2011年第2期

论文作者:黎正华 李晓谦 张明 许显华

文章页码:318 - 324

关键词:7050铝合金;半连铸;逆偏析;超声;空化;偏析比

Key words:7075 aluminum alloy; semi-continuous casting; inverse segregation; ultrasonic; cavitation; segregation ratio

摘    要:采用SPECTRO-MAXx立式直读光谱仪和Leica金相显微镜,研究超声功率对半连铸过程中7050铝合金微观组织及溶质Zn元素径向分布的作用规律。结果表明:在超声外场作用下铸锭组织明显细化,混晶减少,溶质Zn元素的径向逆偏析程度减弱,并随着超声功率的增加,晶粒细化程度及宏观偏析的弱化效果更好,溶质Zn元素的偏析比由未加超声时的1.190降低为240 W功率超声作用时的1.086;在超声外场调控下,铝合金熔体偏析弱化的主要原因是由于形核率增加,晶粒细化,两相区液固相相对运动速度减小;液穴变浅,由铸锭收缩导致的富集液相径向流动减弱,是径向偏析程度减弱的另一原因;在半连续铸造过程中,采用超声外场控制液相的流动是弱化铸锭径向宏观偏析的有效手段。

Abstract: The macro-distribution of solute elements Zn and microstructure for 7050 aluminum alloy by semi-continuous casting under the ultrasonic field were investigated by SPECTRO-MAXx and Leica optic microscopy. The results show that the microstructure refines, the duplex structure consisting of coarse-cell and fine-cell dendritic grains decreases, the inverse segregation grade of Zn decreases effectively. With the increase of the ultrasonic power, the microstructure becomes finer and more uniform, the distribution of solute elements is more harmonious, the segregation ratio of Zn through 240 W ultrasonic treatment decreases to 1.086 from 1.190 without ultrasonic. After being treated by ultrasonic field, the nucleation ratio of the Al melt increases, the microstructure refines, the relative velocities of the solid and liquid phases in mushy zone decreases, and the shrinkage-induced flow of the enriched solute decreases due to the sump height decreases, which suppresses macro-segregation in a great degree. The liquid phases flow controlled by ultrasonic field is an effective means to weaken the macro-segregation in semi-continuous casting.



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                               (1)

式中:wmax和wmin分别表示凝固组织中溶质质量分数的最大值和最小值。

图2  DC铸造过程中铸锭收缩引起的流动以及液穴测量位置示意图

Fig.2  Schematic diagram of shrinkage flower and measure location of sump in DC casting

实验对比工况:未施加超声场对铝合金熔体施加功率超声,超声波发生器输出功率分别为135、170、240 W,工作频率为(19±0.5) kHz。

2  结果与分析

图3所示为半连续铸造过程中不同超声功率作用下铸锭中心和边部的微观组织。由图3可看出,无超声作用时,铸锭边部和中心均存在混晶,即粗大晶粒与细小晶粒混杂在一起,晶粒尺寸差异特别明显(见图3(a)和(e)),观察超声外场作用下铸锭微观组织发现,混晶尺寸差异逐渐减小,边部和中心组织均得到不同程度的细化,且组织分布更为均匀,呈球形,微观组织的形貌也由发达的柱状晶转变为等轴晶。这说明在超声外场作用下,超声波对铝合金铸锭整个截面内的凝固组织均具有很好的细化效果。对比功率超声作用后的凝固组织表明,超声功率对铸锭的凝固组织细化效果不同,240 W功率超声作用对铸锭具有最佳的细化效果。

其原因可能是超声波的空化效应和声流效应对形核和形核长大过程的作用,一方面超声空化泡在崩溃的瞬间聚集的能量迅速释放出来,产生瞬时高温高  压[8-10],使得空化泡周围的熔体产生瞬时过冷,显著提高形核率;另一方面空化泡崩溃时产生的冲击波和激射流使得近程有序的液体分子转变为远程有序,开始自发形核,二次提高形核率。同时,强烈的冲击波可以打断或熔断正在生长的晶核,从而抑制枝晶的生长;晶核随着液相运动,扩散到铸锭各个部位,从而促进整个铸锭的形核,使形成的组织更为均匀。超声波的空化效应和声流效应随着超声功率的增加而增强,因此,超声功率越大,微观组织的均匀化细晶效果越好。

表2所列为实验测得的凝固前沿h、h1和h2值。由表2可看出,液穴深度h随着超声功率的增加逐渐变小,当超声功率值为240 W时,液穴深度h值相对于无超声外场作用时减少13 mm。

表2  实验所测的凝固前沿形态随超声功率变化规律

Table 2  Evolution of solidifying front shape with ultrasonic power by experimental measurement

产生上述现象的原因在于功率超声作用时,超声外场产生的空化效应和声流效应加速液穴内熔体的传质和传热过程[11-12],整个液穴内温度场趋于均匀,同时增大了熔体的过冷度,显著提高熔体中的形核数  目[13-15],表现为液穴内大量晶核在相似的环境中进行同向生长,形成细小的等轴晶(见图3)。由于中心的温度梯度小于边部的温度梯度,因此,超声对温度场的作用效果对铸锭中心的影响要比边部作用效果强,使得液穴深度降低,并随着超声功率增大,空化作用增强,传质传热过程更为显著,因此液穴的深度也变浅。

图4所示为溶质Zn元素在铸锭横截面内的径向分布。横坐标值为沿半径方向结晶器壁与测量点之间的距离,纵坐标值为Zn浓度,Y坐标轴相当于结晶器壁,右端为铸锭的中心。由图4可知,溶质Zn元素在铸锭中存在逆偏析,中心部位含量低于铸锭边部。通过未加超声和施加功率超声对比,Zn溶质分布变化曲线在超声作用下趋于平坦,分布变得均匀。在实验仪器所提供的240 W超声功率内,超声功率越大,耦合的偏析曲线越平坦,溶质元素径向分布情况越均匀。

图3  在不同超声功率下7050铝合金铸锭的显微组织

Fig.3  Microstructures of 7050 aluminum alloy ingots under different ultrasonic powers: (a) P=0, center part; (b) P =135 W, center part; (c) P=170 W, center part; (d) P=240 W, center part; (e) P=0 , edge part; (f) P=135 W, edge part; (g) P=170 W, edge part;      (h) P=240 W, edge part

宏观偏析的出现与合金的凝固过程紧密相关,凝固时的液相流动对液穴中溶质的扩散起决定性作   用[16],本文作者针对7050铝合金半连续铸造中溶质Zn元素的逆偏析现象,采用超声外场控制液相流动的方法来控制铸锭径向宏观偏析的主要原因如下。

图5所示为超声功率与偏析比之间的变化规律。由图5可看出,随着超声功率的增加,Zn元素的偏析比由未加超声时的1.190降为施加240 W超声时的1.086,偏析程度显著降低。

图4  不同超声功率下溶质元素的径向分布

Fig.4  Solute concentration profile under different ultrasonic powers

图5  溶质Zn元素偏析比随超声功率变化规律

Fig.5  Evolution of segregation ratio of Zn with ultrasonic power

2.1  超声外场对两相区流场的影响

对比浇注口引起的外流场和超声流场,超声流场对细晶区域的贡献很小,即相对浇铸速度而言,导入超声时超声声流的流速对整个液穴的宏观流场影响不 大[17]。由于导致合金元素宏观偏析的主要原因为两相区液固相的相对运动,因此,研究纯液相流场对溶质分布的影响没有多大意义。

对于两相区,根据不同的固相分数,可将其分为浆状区和糊状区,在这两个区域的流场情况是截然不同的。浆状区固相率为0~0.3,固相悬浮在液相中,影响溶质分布流场的因素主要是溶质对流和外场强迫对流[18]。在凝固过程中,固相的溶质平衡浓度要低于液相的溶质平衡浓度,因此,液相中先结晶悬浮晶粒的相对运动和长大过程是造成偏析的一个重要的原因。悬浮晶粒中溶质浓度相对较低,在运动的过程中长大,由于重力和浮力的相互作用,最终沉积下来。由于固相和液相密度不一样,固相在伴随液相运动的过程中速度存在差异,固液相的相对速度越小,液穴内溶质分布越均匀,由Ni和Incropera提出的液固相相对速度的表达式[1]

                    (2)

式中:vs为固相速度;v1为液相的速度;gs为固相分数;ρs为固相密度;ρl为液相密度;ds为液相中漂浮的晶粒尺寸;g为重力加速度;μm为固液相混合熔体的相对粘度。

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