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 唐靖川  李曉謙  董  方

（中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，現(xiàn)代復(fù)雜裝備設(shè)計(jì)與極端制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

摘要利用超聲變幅桿在7A09鋁合金連續(xù)鑄造過(guò)程中進(jìn)行超聲處理，通過(guò)Olympus dsx500光學(xué)顯微鏡來(lái)觀察施加超聲處理和不施加超聲處理的鋁合金表面中缺陷的變化，由此來(lái)研究超聲鑄造對(duì)鋁合金中微觀缺陷的影響。結(jié)果表明，相對(duì)于未施加超聲處理的鑄錠，施加超聲后鑄錠的氧化夾雜缺陷減少，可觀察到表面氣孔、縮孔缺陷數(shù)量上有所增加（從2 912增大為3 436），但是平均尺寸由10.0 μm降為7.4μm、缺陷平均面積由0.40mm2降為0. 36 mm2。最后，對(duì)超聲作用下氧化夾雜、雙層膜、晶粒尺寸等對(duì)鋁合金鑄錠中微觀缺陷的影響以及相關(guān)的作用機(jī)理進(jìn)行了討論。

 鋁合金在航空航天大構(gòu)件中應(yīng)用前景非常廣闊，目前在軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)上用量為40%～60%，在民用飛機(jī)中用量已經(jīng)達(dá)到70%～80%。7A09鋁合金作為一種超硬鋁合金，在飛機(jī)大構(gòu)件中應(yīng)用受到重視。但是在鋁合金的熔煉、澆注和轉(zhuǎn)注過(guò)程中容易被帶入～種雙層膜( bifilm)，使鋁合金熔體在凝固過(guò)程中產(chǎn)生氧冷裂紋、熱裂紋、氣孔、縮松等缺陷，從而影響鋁合金鑄件的性能和應(yīng)用。在鋁合金鑄造過(guò)程中引入超聲場(chǎng)對(duì)金屬熔體進(jìn)行處理，具有安全環(huán)保、操作簡(jiǎn)便、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。超聲鑄造技術(shù)就是利用超聲變幅桿對(duì)鋁合金熔體施加機(jī)械波，達(dá)到改善凝固組織的目的。鄧靜采用超聲鑄造減少鋁合金鑄錠中氣孔和縮松缺陷，但是研究?jī)?nèi)容主要是圍繞著鋁熔體中氫濃度的降低來(lái)減少氣孔和縮松，而關(guān)于氧化夾雜與氣孔和縮松之間關(guān)系的敘述和機(jī)理研究較少，特別是雙層膜在氣孔和縮松形成的影響沒(méi)有做具體分析。本課題通過(guò)施加超聲前后對(duì)比，研究了超聲處理后鋁合金鑄錠中氧化夾雜以及氣孔、縮松的變化。通過(guò)超聲的空化作用、雙層膜促進(jìn)氣孔、縮松形成的相關(guān)機(jī)理來(lái)對(duì)超聲鑄造消除氧化夾雜以及減輕氣孔、縮松的現(xiàn)象進(jìn)行討論。

1  試驗(yàn)材料及方法

 試驗(yàn)所用7A09鋁合金是通過(guò)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99. 7%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的工業(yè)純鋁和各種合金母錠熔配而成的，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用Novelis PAEFrance 9t半連續(xù)鑄造機(jī)進(jìn)行澆注。超聲振動(dòng)系統(tǒng)采用最大功率為2 000 W的超聲波發(fā)生器，工作頻率為19.5kHz;采用Olympus dsx500光學(xué)顯微鏡觀察合金微觀組織。

 試驗(yàn)在尺寸為φ550 mm×4 000 mm的7A09鋁合金圓錠半連續(xù)鑄造過(guò)程中進(jìn)行。在半連續(xù)鑄造過(guò)程中將超聲振動(dòng)系統(tǒng)置于結(jié)晶器上方，將工具桿伸入熔體預(yù)熱后開(kāi)啟超聲發(fā)生器電源并調(diào)節(jié)至諧振狀態(tài)，施加超聲的位置為距離軸心150 mm附近，見(jiàn)圖1。其中在鑄錠1000～2 500 mm施加超聲，用于分析不同工藝條件的影響：①在施加超聲和未施加超聲的鑄錠軸心附近各取1塊試樣進(jìn)行斷口缺陷檢測(cè)；②在距離底面1 500 mm和3 000 mm的位置截取厚度為25 mm的截面分別作為施加超聲和未施加超聲試樣進(jìn)行分析。每塊試樣沿徑向直徑取寬度為10 mm長(zhǎng)條，并平均分為12份進(jìn)行分析，具體取樣位置見(jiàn)圖2。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

 分別對(duì)施加超聲和未施加超聲的鑄件進(jìn)行斷口定性分析，并取在超聲作用的軸線附近的鋁合金作為對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。在未施加超聲的試樣中發(fā)現(xiàn)多處缺陷，而施加過(guò)超聲的試樣中并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的宏觀缺陷。通過(guò)能譜掃描顯示未施加超聲的試樣中的缺陷均為氧化夾雜，見(jiàn)圖4和表2。

 經(jīng)超聲處理后合金的氧化夾雜缺陷明顯減少，這是由于超聲處理時(shí)，空化作用強(qiáng)的區(qū)域內(nèi)氧化夾雜成為良好的空化核心，空化泡優(yōu)先在氧化夾雜上形成，并不斷地發(fā)生膨脹、收縮并且上浮�？諝馀菰诮�(jīng)過(guò)超聲的空化作用較弱區(qū)域時(shí)，又與熔體中的氧化夾雜相遇，因?yàn)檫@些夾雜物不能被鋁液潤(rùn)濕，就被吸附在氣泡的表面上，并隨著氣泡上浮到熔體表面。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，如氧化夾雜物能自動(dòng)吸附在氣泡上則應(yīng)滿足下式：

式中，σ1為金屬與夾雜間的界面張力；σ2為金屬與介質(zhì)間的界面張力；σ3為夾雜與介質(zhì)間的界面張力。

 因?yàn)殇X液與氧化夾雜之間是互補(bǔ)潤(rùn)濕的，所以其接觸角0大于90°，如Al2 03與鋁液的接觸角為134°。因此完全符合熱力學(xué)條件，熔體內(nèi)的氧化夾雜自發(fā)地吸附在空化泡的表面上，隨著空化泡最后浮出熔體表面而被除去，使最后鑄錠中氧化夾雜缺陷減少。

 對(duì)取得的24塊試樣的表面進(jìn)行拋光處理，然后對(duì)其進(jìn)行顯微缺陷分析。未施加超聲的缺陷面積為0. 40%，施加超聲的缺陷面積為0.36%，較未施加超聲的減少了10%。說(shuō)明在超聲作用下，缺陷的面積有了明顯減小。但是，在缺陷的數(shù)量上，施加超聲的和未施加超聲的試樣中缺陷數(shù)量的平均值分別為3 436和2 912。施加超聲后增加了18%，平均尺寸從10.0μm降至7.4 μm。這種趨勢(shì)在超聲作用較強(qiáng)區(qū)域特別明顯。圖5和圖6是施加超聲和未施加超聲的1～6號(hào)試樣打磨拋光后表面形貌的對(duì)比。可以看到，有很多大小不一的孔隙，而這些孔隙大部分都是由氣孔和縮孔組成。超聲處理后鑄錠的顯微缺陷要明顯少于未經(jīng)超聲處理的。由此可見(jiàn)，因?yàn)榇蟪叽绲娜毕輸?shù)量減少，總體上來(lái)說(shuō)，功率超聲有效限制了鑄造鋁合金由于大尺寸微觀缺陷而可能引起的失效。在施加超聲和未施加超聲的1～6號(hào)試樣的對(duì)比中，發(fā)現(xiàn)施加超聲的缺陷面積為0. 32%，較未施加超聲的減少了18. 8%。在缺陷的數(shù)量上，施加超聲和未施加超聲的試樣中缺陷數(shù)量分別為3 910和2 375個(gè)，施加超聲后增加了64%。

2.1  超聲的晶粒細(xì)化作用

 鋁合金內(nèi)部產(chǎn)生氣孔、縮孔是由金屬液在凝固過(guò)程中補(bǔ)縮不足引起的。由于鋁合金的固態(tài)密度要高于液態(tài)密度，所以熔體在凝固過(guò)程中體積會(huì)減小。由于金屬液在凝固過(guò)程中，晶體以樹(shù)枝晶的形式生長(zhǎng)，熔體可以在各個(gè)晶粒之間的通道中進(jìn)行流動(dòng)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)縮，但是當(dāng)枝晶間相互之間形成了閉合的骨架之后，枝晶間的剩余熔體在凝固過(guò)程中收縮時(shí)，由于得不到熔體補(bǔ)縮，最后只能生成微小的縮孔缺陷，有些縮孔被析出的氫氣填充，變成了氣孔。李曉謙等研究發(fā)現(xiàn)，鋁合金凝固過(guò)程中施加超聲外場(chǎng)，可使鑄錠的晶粒細(xì)化，組織更為均勻。圖7是未施加超聲和超聲作用較強(qiáng)區(qū)域的試樣，可以看出，在施加超聲后，晶粒尺寸減小，樹(shù)枝晶數(shù)量減少，等軸晶數(shù)量增加。

2.2超聲對(duì)雙層膜的影響

 凝固過(guò)程中，金屬液中萌生一個(gè)空腔非常困難，鋁合金破裂壓力達(dá)到了3 GPa，所以氣孔、縮孔在沒(méi)有核心的情況下均質(zhì)形核較為困難。研究發(fā)現(xiàn)，在拋光界面中出現(xiàn)一組獨(dú)立的枝晶間的孔洞，這是一些糾纏在一起、整體結(jié)構(gòu)并不規(guī)則的雙層膜。雙層膜是一種帶有空腔的氧化夾雜，它具有氧化夾雜和氣泡的雙重特點(diǎn)，這使它成為了氣泡、縮孔等缺陷生長(zhǎng)的理想位置。在功率超聲作用下，鋁熔體中產(chǎn)生了強(qiáng)烈的空化反應(yīng)，雙層膜作為帶有空腔結(jié)構(gòu)的氧化夾雜，成為了空化泡形核的重要核心，一部分雙層膜以空化泡的形式不斷膨脹、收縮，以類(lèi)似于氣泡的方式最后在鋁熔體表面逸出。同時(shí)，由于變幅桿在熔體的表面引起了小幅度的液面振動(dòng)，致使熔液表面有一部分氧化膜發(fā)生折疊，在超聲的聲流作用下進(jìn)入到了熔體內(nèi)部，但是這些雙層膜數(shù)量多，體積小，并不能導(dǎo)致鑄錠中大尺寸缺陷的形成，反而某種程度上促進(jìn)了空化反應(yīng)的進(jìn)行。所以在超聲作用下，鋁液中大尺寸雙層膜含量減少，小尺寸雙層膜含量增加，但是雙層膜總體含量上有所減少，由此帶來(lái)晶粒的細(xì)化。

3  結(jié)  論

 (1)在功率超聲作用下，空化作用產(chǎn)生的空化泡吸附并帶走了熔體中的部分氧化夾雜，減少了鑄錠中的氧化夾雜缺陷。

 (2)功率超聲作用后鋁合金的氣孔、縮孔體積明顯減小，雖然在數(shù)量上明顯增加，但是有效抑制了鑄造鋁合金由于大尺寸微觀缺陷而可能引起的失效。

 (3)在功率超聲的作用下晶粒得到了明顯的細(xì)化，使枝晶間的凝固得到了良好的補(bǔ)縮，減少了氣孔和縮孔的出現(xiàn)。