李盛鋒，孫小燕，王 蕾，羅銘強，陳文泗

（1.廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510651；2.廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山 528000）

Al-Zn-Mg-Cu合金是可熱處理強化的高強度鋁合金，廣泛用于交通運輸、航空航天、電子電器、機械設備、模具等領域，如汽車、高鐵、飛機、火箭、智能手機、筆記本電腦、注塑成型模具等[1]。Al-Zn-Mg-Cu合金的主要強化元素包括Zn、Mg、Cu，可形成多種強化效果顯著的強化相，提高鋁合金的強度，使Al-Zn-Mg-Cu合金的熱處理強度效果遠遠勝過于Al-Zn二元合金。提高合金中Zn、Mg、Cu元素的含量，可進一步提高Al-Zn-Mg-Cu合金的強度[2]。由于Al-Zn-Mg-Cu合金的Zn、Mg、Cu元素含量較高，合金凝固溫度范圍較寬，采用半連續(xù)鑄造工藝制備大規(guī)格尺寸的Al-Zn-Mg-Cu合金鑄錠時，鑄錠的元素偏析非常嚴重，晶粒較為粗大，熱裂傾向較大，會嚴重降低Al-Zn-Mg-Cu合金鑄錠的質量和成材率，甚至難以獲得質量合格的大規(guī)格半連續(xù)鑄造Al-Zn-Mg-Cu合金鑄錠。

晶粒細化可以改善鑄錠的組織成分均勻性，提高鋁合金鑄錠的質量[3]。在半連續(xù)鑄造過程中通過添加晶粒細化劑是實現(xiàn)鑄錠晶粒細化的有效方法，但該方法仍然無法完全解決大規(guī)格半連續(xù)鑄造Al-Zn-Mg-Cu合金鑄錠的元素偏析和熱裂問題[4]。研究人員[5，6]研究了電磁攪拌對半連續(xù)鑄造Al-Zn-Mg-Cu合金鑄錠組織的影響，但電磁攪拌半連續(xù)鑄造的生產(chǎn)工藝較為復雜，成本較高，難以應用于實際生產(chǎn)。超聲波振動具有空化效應和聲流效應的雙重作用，采用超聲波振動輔助半連續(xù)鑄造鋁合金鑄錠，可細化鑄錠的晶粒組織，抑制元素偏析，消除熱裂[7-10]，并且超聲波振動的工藝較為簡單，容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。因此，本文采用超聲輔助半連續(xù)鑄造工藝制備直徑310 mm的Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠，研究了半連續(xù)鑄造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的顯微組織與力學性能。

1 實驗材料與方法

實驗材料為Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金，采用純鋁錠（99.7%，質量百分數(shù)，下同）、純鋅錠（99.9%）、純鎂錠（99.95%）和Al-10Cu中間合金熔煉配制。實驗設備包括300 Kg鋁合金熔煉爐、螺桿式半連續(xù)鑄造機和超聲波振動系統(tǒng)，超聲波振動系統(tǒng)包括超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿和工具頭，變幅桿和工具頭的材質為鈦合金，工具頭直徑為50 mm。超聲波輔助半連續(xù)鑄造裝置如圖1所示。

在鋁合金熔煉爐中于780℃加熱熔化純鋁錠，然后加入純鎂錠、純鋅錠和Al-10Cu中間合金，攪拌熔化成鋁合金液，對鋁合金液取樣并澆注成錠，然后采用SPECTRO-MAX型直讀光譜儀對鋁合金錠進行化學成分分析，成分見表1。采用純度為99.99%的氬氣和鋁合金液重量為0.5%的鋁合金精煉劑對鋁合金液進行噴吹精煉除氣除雜，噴吹精煉時間為3 min，扒渣后再降溫至730℃，再靜置30 min，最后將鋁合金液在超聲波振動條件下半連續(xù)鑄造成直徑310 mm的鋁合金鑄錠，鑄造溫度為710℃，冷卻水流量為3000 L/h，鑄造速度為65 mm/min，超聲波功率分別為0 W、70 W、140 W和210 W。

圖1 半連續(xù)鑄造裝置示意圖

表1 合金的化學成分（質量百分數(shù)，%）

分別在鋁合金鑄棒橫截面的二分之一半徑位置處取樣，試樣經(jīng)磨制、拋光和腐蝕后，在LEICA-DMI3000M型光學顯微鏡和JEOL型掃描電子顯微鏡上進行組織觀察，并使用電子探針能譜對第二相和鋁基體元素固溶度進行分析。將試樣加工成拉伸試樣，在DNS200型電子拉伸試驗機上進行室溫拉伸，拉伸速度為2 mm/min，拉伸試樣的形狀尺寸如圖2所示。

圖2 拉伸試樣的形狀尺寸（單位：mm）

2 實驗結果與分析

2.1 顯微組織

圖3為半連續(xù)鑄造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的顯微組織。從圖3可看到，沒有施加超聲波振動時，鑄錠的顯微組織為粗大的α-Al樹枝晶，晶界較寬和較粗大，α-Al晶粒的尺寸大小差異也較大，如圖3（a）所示。

當施加超聲波振動后，隨著超聲波功率的增大，鑄錠的顯微組織逐漸從粗大的α-Al樹枝晶向α-Al等軸晶轉變，α-Al晶粒尺寸越來越細小，晶界變得越來越細。

當超聲波功率增大到210 W時，從圖3（d）可看到，鑄錠的顯微組織為細小均勻的α-Al等軸晶，α-Al晶粒的尺寸大小均勻。

圖3 合金鑄錠的顯微組織

圖4 合金鑄錠的掃描電鏡背散射圖

Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的晶粒細化主要得益于超聲波振動產(chǎn)生的空化效應和聲流效應[7]。在超聲波振動作用下，鋁合金熔體內部會產(chǎn)生大量的空化泡，空化泡持續(xù)不斷地吸收來之超聲波振動產(chǎn)生的能量，使空化泡不斷地長大，當空化泡的壓力超過某一閾值時，空化泡破碎，空化泡破碎會使鋁合金熔體局部產(chǎn)生高溫和高壓，并吸收鋁合金熔體的一部分熱量[8]，這種空化泡效應會提高鋁合金熔體的過冷度，進而增加了鋁合金熔體形核核心，最終使鑄錠的α-Al晶粒得到細化。超聲波振動還會在鋁合金熔體中產(chǎn)生聲流效應，使鋁合金熔體內部產(chǎn)生了局部的壓力梯度，使鋁合金熔體形成對流，對流會使打碎α-Al枝晶，增加鋁合金熔體的形核核心，同樣可起到α-Al晶粒的細化作用[9]。

圖4為半連續(xù)鑄造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的掃描電鏡背散射圖。

從圖4可看到，未施加超聲波振動時，鑄錠顯微組織的第二相在α-Al樹枝晶的晶界處呈連續(xù)分布，第二相形態(tài)呈棒狀和針狀，部分心部的第二相呈點狀分布，如圖4（a）和（c）所示。施加超聲波振動后，鑄錠顯微組織的第二相主要呈點狀和塊狀，α-Al晶粒的心部沒有第二相存在，如圖4（b）和（d）所示。

表2為半連續(xù)鑄造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的電子探針能譜分析結果。

從表2可看到，位置1的第二相含有Al、Mg、Cu和Fe元素，其含量分別為68.83%、3.21%、6.01%和21.95%，Al和Fe元素是主要元素，Al和Fe元素的原子數(shù)量比等于3:1，因此，位置1的第二相為Al3Fe相。位置3的第二相只有含有Al和Fe元素，Al與Fe的原子數(shù)比等于3:1，因此，位置3的第二相也是Al3Fe相。位置2的第二相為Al2Zn3Mg3相。位置4的第二相的成分組成與位置1的第二相的成分組成相同，因此，位置4的第二相也是富鐵相Al3Fe。

表2 電子探針能譜分析結果（質量百分數(shù)，%）

2.2 力學性能

圖5為半連續(xù)鑄造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的拉伸力學性能與超聲波功率之間的關系曲線。

從圖5可看到，沒有施加超聲波振動時，由于鑄錠的顯微組織為粗大的α-Al樹枝晶，晶界較寬和較粗大，α-Al晶粒的尺寸大小差異也較大，導致鑄錠的拉伸力學性能較低，其抗拉強度為310.9 MPa，伸長率為9.1%。

施加超聲波振動后，由于α-Al晶粒和第二相都得到細化，因此，鑄錠的拉伸力學性能得到提高。隨著超聲波功率的逐漸增大，由于鑄錠的顯微組織逐漸從粗大的α-Al樹枝晶向α-Al等軸晶轉變，α-Al晶粒和第二相的尺寸越來越細小，晶界變得越來越細。

因此鑄錠的拉伸力學性能越來越高。當超聲波功率增大到210W時，鑄錠的抗拉強度為329.4 MPa，伸長率為12%，與沒有施加超聲波振動的鑄錠相比，此時鑄錠的抗拉強度提高了6%，伸長率提高了31.3%。

圖5 拉伸力學性能與超聲波功率之間的關系曲線

3 結論

（1）施加超聲波振動可細化半連續(xù)鑄造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的α-Al晶粒和第二相，提高鑄錠的力學性能。

（2）超聲波功率越大，Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的α-Al晶粒和第二相越細小，分布越均勻，鑄錠的拉伸力學性能越高。

（3）當超聲波功率為210 W時，半連續(xù)鑄造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的抗拉強度為329.4 MPa，伸長率為12%。

（4）與未施加超聲波相比，施加210 W超聲波的半連續(xù)鑄造合金鑄錠的抗拉強度提高了6%，伸長率提高了31.3%。