熔体超声波处理对超强铝合金组织和性能的作用
陈康华, 黄兰萍, 胡化文, 刘红卫
(中南大学 粉末冶金国家重点实验室, 湖南 长沙, 410083)
摘要: 在7055铝合金液相线625 ℃以上,对7055铝合金熔体进行超声波预处理后模铸, 研究超声熔体预处理对7055铝合金凝固组织和力学性能的影响。 基于超声波对熔体产生的空化效应, 讨论了熔体中微粒超声活化成为结晶核心, 促进形核和细化晶粒的作用机制。 显微组织观察和力学性能测试结果表明: 经过超声波预处理后,7055铝合金晶粒明显细化, 退火态延伸率和抗拉强度均大幅度提高。
关键词: 7055铝合金; 超声熔体处理; 超声振动; 声空化
中图分类号:TG166.3 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)03-0354-04
Effect of ultrasonic melt pretreatment on structure
and properties of high strength 7055 aluminum alloy
CHEN Kang-hua, HUANG Lan-ping, HU Hua-wen, LIU Hong-wei
(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: The effect of ultrasonic melt pretreatment on the solidification structure and mechanical properties of 7055 aluminum alloy was investigated. Based on the cavitation in the melt generated by ultrasound, the mechanism by which the tiny insoluble particles were activated and became active solidification nuclei was discussed, and fine grains were obtained. The results show that grain size becomes smaller, and elongation and tensile strength of 7055 alloy are increased greatly.
Key words: 7055 aluminum alloy; ultrasonic melt pretreatment; ultrasonic vibration; acoustic cavitation
利用高能超声波处理铝或铝合金的熔体是一种新的既符合环保要求又安全的技术, 可广泛地用于制造商业高强轻合金半成品及其铸件[1]。 在金属或合金的凝固过程中,施加振动是提高其组织结构和机械性能的有效方法之一[2-7]。 超声振动具有高能量及其他特殊效应, 极大地提高了振动对凝固的作用效果。 超声波在液体中传播时, 液体分子受到周期性交变声场的作用, 产生声空化、 声流效应, 引起熔体中流动场、 压力场和温度场发生变化。 空化泡崩溃可以导致过冷液体中固体形核, 提高液相形核率[8]。 此外, 超声波冶金可以去气除渣, 是一项熔体纯化技术[10]。 目前, Al-Zn-Mg-Cu系合金向超高强方向发展, 铸锭开裂和组织不均匀问题突出。 在此, 作者研究超声波对超高强7055合金熔体及其凝固的作用。
1 实 验
1.1 合金的熔炼与铸造
1.1.1 普通浇铸
7055铝合金按名义成分Al-8.6Zn-2.5Mg-2.6Cu-0.20Zr(其中数据为质量分数, %)配料。 合金的熔炼在电阻炉中进行, 熔炼坩埚为石墨坩埚。 采用99.9%高纯铝为原料, 合金元素Cu和Zr以中间合金形式加入, Zn和Mg以纯金属加入。 熔炼温度控制在700~740 ℃, 采用质量分数为0.2%~0.5%的六氯乙烷(C2Cl6)精炼, 静置10~15 min, 在熔体温度为720 ℃时浇入直径为15 mm、 高为120 mm的石墨模具中, 制得铸棒。
1.1.2 超声波预处理浇铸
采用频率为20 kHz、 额定功率为1 kW的超声波发生器和自制的超声熔体预处理铸造装置(见图1, 其中变幅杆参照文献[11]自行设计)对合金熔体进行超声波预处理。 配料及熔炼、 精炼与普通浇铸的相同, 精炼后分别降温至630, 650, 670和690 ℃, 在保温的情况下, 对熔体进行相同时间(15 s)超声波预处理, 将变幅杆插入熔体保持在同一深度(3 cm), 声功率均为4.0 W。 将坩埚取出炉外浇入直径×高为15 mm×120 mm的石墨模中, 浇铸成与普通浇铸试样相同规格的铸样。
Fig. 1 Test-equipment of ultrasonic
melt pretreatment
1.2 均匀化及退火处理
对浇铸的所有试样在可控硅控温的电阻炉(其温度误差为±1 ℃)中进行均匀化处理[9,10], 其制度为: 于460 ℃保温5 h后, 以0.5 ℃/min的速度升温至470 ℃并保温16 h, 然后以0.5 ℃/min的速度升温至473 ℃并保温11 h, 用冷水淬火, 取部分样制作金相; 将其余的回炉, 进行退火处理,并于400 ℃保温20 min后随炉冷却, 制作拉伸样。
1.3 组织观察与力学性能测试
用XJP-200型光学显微镜观察均匀化淬火后合金金相组织。 观察前,将试样在95 mL水、1 mL氢氟酸、1.5 mL盐酸和2.5 mL硝酸的混合液中浸蚀8~15 s。 用Instron电子拉伸仪对均匀化退火试样进行合金力学性能测试。圆棒拉伸试样直径为8 mm, 标距为45 mm。 拉伸断口分析在X-650型扫描电镜上进行。
2 实验结果
2.1 合金组织特征
7055铝合金均匀化组织如图2所示。 可见,与普通浇铸试样相比, 经超声预处理的试样晶粒明显细化, 并且在650 ℃和670 ℃超声预处理试样的晶粒比在630 ℃和690 ℃超声预处理试样的晶粒更细小、均匀。 常规浇铸的铸锭在非平衡结晶凝固过程中, 最后凝固的区域溶质富集, 导致晶界和晶内形成大量非平衡共晶相和粗大的第2相, 在均匀化后,这些粗大的第2相仍然大量存在, 如图2(a)所示。 而对熔体进行超声预处理后浇铸的铸锭均匀化后第2相则大大减少, 尤其是在650 ℃和670 ℃经超声预处理的试样第2相溶解得较彻底, 如图2(b),(c)和(d)所示。
2.2 合金力学性能
常温下测得的经均匀化及退火处理后的7055铝合金力学性能如表1所示。 其中: σb为抗拉强度; σ0.2为屈服强度; δ为延伸率; 1号样品为未经超声处理的7055铝合金; 2号样品为经4.0 W超声、 于650 ℃预处理15 s的7055铝合金。 可以看出, 与常规浇铸的试样相比, 经过超声预处理的试样延伸率大幅度提高, 抗拉强度提高约22 MPa, 屈服强度略降低。
2.3 扫描电镜断口分析
图3所示为7055铝合金拉伸断口形貌。 可以看出, 超声预处理和非超声预处理的断口形貌很相似, 断裂方式均为沿晶+穿晶的复合式断裂。 从图3可以看出, 7055铝合金中晶粒呈现部分解理特征,经过超声处理后,晶粒细化,这种特征得以弱化;经过超声预处理的断口韧窝小而且密集, 未经超声预处理的韧窝大而且疏。
图 2 7055铝合金均匀化组织
Fig. 2 Homogenized microstructures of 7055 aluminum alloys
图 3 7055铝合金拉伸断口形貌
Fig. 3 SEM images of 7055 aluminum alloys
表 1 7055铝合金力学性能
Table 1 Mechanical properties of 7055 alloys
3 讨 论
实验结果表明,对7055铝合金在630~690 ℃进行超声波预处理, 可以获得较细的晶粒。 超声作用的主要机制可能是: 在熔体中导入超声波后, 由于声压交替变化, 在某一瞬间、 某一区域产生高压或负压的空化现象, 即产生高压力的压相或高真空的拉相。 当压相通过时, 铝熔体受到来自各方面的高压作用; 当拉相通过时, 则产生相应的拉应力, 形成空腔; 当压相再次通过时, 这些小空腔又可能发生闭合。 闭合和拉开所产生的压力和拉力对熔体中的固体颗粒产生强烈作用, 显著改变熔体的凝固结晶行为。 在熔体液相线以下温度, 超声空化作用可击碎初生枝晶, 在声流和空化作用的搅拌下, 又使其弥散地分布于熔池熔体中, 相当于增加了外来核心, 过冷熔体就在这些质点上成长, 同时抑制树枝晶成长, 从而得到细小、 均匀的等轴晶粒。 在熔体液相线以上温度, 实际的铝合金熔体中包含大量的未溶杂质(主要是粒度小于0.1 μm的Al2O3颗粒), 这些颗粒吸附的气体被清除, 表面缺陷在超声的空化作用下被熔体基体所填充, 从而成为活化的凝固核心, 促进了核的形成。 超声波对外来质点的活化作用是细化晶粒的主要原因。 超声波的空化作用使晶粒细化的同时, 减弱了合金元素的凝固偏析, 经过均匀化后, 第2相溶解较彻底, 其抗拉强度和塑性显著提高。
4 结 论
a. 在7055铝合金液相线625 ℃以上进行超声熔体预处理, 可获得细小晶粒组织。
b. 超声波对熔体的空化效应活化了外来质点, 促进了晶核的形成, 从而细化了晶粒。
c. 经过超声波预处理,7055铝合金的抗拉强度和塑性大幅度提高。
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收稿日期:2004 -07 -29
基金项目:国防科工委民口配套项目(MKPT-03-148); 教育部新世纪人才基金资助项目(NCET-04-0752); 国家“973”项目(2005)
作者简介:陈康华(1962-), 男, 汉族, 浙江宁波人, 研究员, 博士生导师, 从事高强铝合金强韧化的研究
论文联系人: 陈康华, 男, 研究员, 博士生导师; 电话: 0731-8830714(O); E-mail: chenkh@mail.csu.edu.cn
