趙志偉，于君娜，羅崇輝，安昊瀛

超聲功率對(duì)Al-5% Cu合金凝固組織及凝固行為的影響

趙志偉1，于君娜2,3，羅崇輝2,3，安昊瀛4

（1.遼寧工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2.錦州市檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證中心，遼寧 錦州 121000；3.錦州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，遼寧 錦州 121000；4.西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710000）

研究了不同超聲功率對(duì)Al-5% Cu合金凝固組織的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著超聲功率的提高，晶粒尺寸呈先細(xì)小、后增大的趨勢(shì)。當(dāng)超聲功率為600 W時(shí)，能夠細(xì)化晶粒，形成等軸晶，平均晶粒尺寸為174.9 μm；當(dāng)超聲功率為1 000 W時(shí)，組織為等軸晶，平均晶粒尺寸為147.5 μm，共晶組織出現(xiàn)離異現(xiàn)象；當(dāng)超聲功率達(dá)到1 400 W時(shí)，晶粒有粗化趨勢(shì)，平均晶粒尺寸為256.6 μm，對(duì)組織改善無(wú)益。

超聲處理；Al-Cu合金；CuAl2；晶粒細(xì)化；離異共晶

超聲波介入金屬溶體里可以細(xì)化晶粒、減小偏析[1-3]。目前人們對(duì)超聲波晶粒細(xì)化的作用機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，得出了超聲波能夠細(xì)化晶粒是因?yàn)槌暡ㄔ诮饘偃垠w中產(chǎn)生的空化效應(yīng)、聲流效應(yīng)及熱效應(yīng)[4-7]。在有關(guān)超聲波細(xì)化的文獻(xiàn)中，部分文獻(xiàn)提及超聲波功率對(duì)合金組織及性能有顯著影響。普遍認(rèn)為超聲波功率的高低會(huì)導(dǎo)致金屬熔體中形成的空氣泡在爆裂瞬間，所釋放出的能量高低出現(xiàn)差別?？諝馀菰谛纬蛇^(guò)程中會(huì)吸收周圍大量的熱量，而在爆裂的瞬間又會(huì)釋放出高溫氣體及較強(qiáng)的沖擊波[8-10]。

可以看出，不同的超聲波功率對(duì)金屬熔體起到的細(xì)化作用效果是不同的。因此，本文研究了超聲波功率對(duì)Al-5% Cu合金凝固組織的影響，分析超聲波功率與晶粒細(xì)化之間的關(guān)系，并對(duì)高、中、低3檔超聲波功率對(duì)凝固組織產(chǎn)生的細(xì)化機(jī)理進(jìn)行了討論。

1 實(shí)驗(yàn)方法

采用純鋁和純銅制備Al-5% Cu合金，通過(guò)石墨坩堝進(jìn)行熔煉，六氯乙烷精煉除氣，超聲波探頭預(yù)熱至400 ℃，插入熔體液面下50 mm處，打開(kāi)超聲波發(fā)生器，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。超聲波功率選用600、1 000、1 400 W分別進(jìn)行超聲波處理300 s后關(guān)閉超聲波發(fā)生器，熔體自然冷卻至室溫。同時(shí)制備一組未經(jīng)超聲處理的Al-5% Cu合金，自然冷卻至室溫。從鑄錠中心處進(jìn)行取樣，取樣位置如圖2所示，取樣后對(duì)通過(guò)不同超聲功率處理的試樣進(jìn)行金相試樣制備，通過(guò)打磨拋光，用混合酸水溶液浸蝕，并使用蔡司金相顯微鏡、SEM電子掃描顯微鏡進(jìn)行微觀組織觀察。

1—超聲波換能器；2—超聲波變幅桿；3—熱電偶；4—超聲波探頭；5—金屬熔體；6—石墨粘土坩堝；7—電阻保溫爐；8—超聲波發(fā)生器；9—控溫儀

圖2 取樣位置示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 超聲功率對(duì)Al-5% Cu合金微觀組織的影響

圖3為不同超聲功率處理后得到的Al-5% Cu合金微觀組織，其中黑色網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組織為共晶組織，如圖3（a）所示，在未進(jìn)行超聲波處理的合金凝固后，微觀組織是粗大的枝晶狀。經(jīng)過(guò)600 W超聲處理后，粗大枝晶數(shù)量減少，出現(xiàn)數(shù)量較多的細(xì)小等軸晶，如圖3（b）所示。經(jīng)過(guò)1 000 W超聲處理后，枝晶消失，微觀組織全部為細(xì)小等軸晶，如圖3（c）所示。經(jīng)過(guò)1 400 W超聲處理后，微觀組織依然為等軸晶，不過(guò)能明顯看出尺寸增大，部分等軸晶邊緣尖銳，如圖3（d）所示，說(shuō)明超聲功率達(dá)到1 400 W時(shí)，對(duì)凝固組織無(wú)改善作用。

從圖3明顯看出組織尺寸的變化，除此之外，發(fā)現(xiàn)黑色網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組織隨著超聲功率的增加呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，說(shuō)明隨著超聲功率的提高，Cu元素在α-Al中的溶解度提高，導(dǎo)致CuAl2數(shù)量的減少。

圖3 不同功率超聲處理后凝固組織

表1為測(cè)量得到的不同功率超聲波處理后合金的微觀晶粒尺寸，能夠明顯看出隨著超聲功率的提高，晶粒細(xì)化明顯。經(jīng)超聲處理的合金晶粒尺寸與未經(jīng)過(guò)超聲處理的合金晶粒尺寸進(jìn)行細(xì)化程度計(jì)算，發(fā)現(xiàn)超聲功率為600 W時(shí)，其晶粒細(xì)化程度為47.2%；超聲功率為1 000 W時(shí)，其晶粒細(xì)化程度為55.5%；超聲功率為1 400 W時(shí)，其細(xì)化程度為22.6%。說(shuō)明當(dāng)超聲功率達(dá)到1 400 W時(shí)，出現(xiàn)粗化現(xiàn)象?？紤]為過(guò)高的超聲功率使得熔體局部長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài)，提高了晶粒生長(zhǎng)速度，導(dǎo)致晶粒尺寸變大。

表1 不同功率超聲處理后的晶粒尺寸

序號(hào)超聲功率/W晶粒尺寸/μm 1未處理331.4 2600174.9 31000147.5 41400256.6

2.2 超聲功率對(duì)共晶組織的影響

在微觀組織的分析中，發(fā)現(xiàn)隨著超聲功率的提高，CuAl2數(shù)量呈減少趨勢(shì)。圖4為600、1 000 W超聲功率處理后合金的電鏡照片。從圖中可以看出，隨著超聲功率的提高，網(wǎng)狀的CuAl2相出現(xiàn)斷續(xù)并且尺寸減小，說(shuō)明超聲功率的提高能夠改變CuAl2相的形貌。

圖4 600、1 000 W超聲功率處理后Al-5% Cu合金SEM照片

圖5給出了放大1 000倍后的600、1 000 W超聲功率處理后合金中CuAl2相的掃描形貌圖。從圖中可以清晰地看出，隨著超聲功率的提高，共晶組織形貌改變，600 W時(shí)為（α+CuAl2）共晶組織，1 000 W時(shí)出現(xiàn)了CuAl2離異共晶。認(rèn)為超聲功率的提高改變了Al-5% Cu合金的凝固區(qū)間，使得凝固區(qū)間變寬，原本共生共長(zhǎng)的（α-Al+CuAl2）共晶組織中的α-Al隨初生α-Al生長(zhǎng)，CuAl2單獨(dú)于晶界處析出長(zhǎng)大所致。

圖5 600、1 000 W超聲功率處理后合金中CuAl2相掃描形貌圖

2.3 超聲功率對(duì)Al-5% Cu合金凝固行為影響的分析

通過(guò)上述的顯微組織分析，認(rèn)為超聲功率對(duì)初生α-Al相的影響主要是超聲波在合金熔體產(chǎn)生的空氣泡對(duì)組織結(jié)構(gòu)造成破碎，根據(jù)功率的大小其破碎程度有所不同。破碎后的初生α-Al相，一部分作為形核質(zhì)點(diǎn)重新形核，起到了細(xì)化作用。其細(xì)化機(jī)理示意圖如圖6所示。

圖6 超聲波細(xì)化晶粒機(jī)理示意圖

隨著超聲功率的提高，熔體中爆裂的空氣泡所釋放的能量隨之提高，所產(chǎn)生的沖擊力也隨之增大，所以出現(xiàn)了隨著超聲功率提高晶粒尺寸不斷減小的效果。但是爆裂的空氣泡除了釋放高壓所形成的沖擊波，還會(huì)釋放出較高的熱量。使得熔體處于液態(tài)的時(shí)間延長(zhǎng)，伴隨著超聲波在熔體中產(chǎn)生的聲流效應(yīng)，加速了溶質(zhì)原子在熔體內(nèi)的擴(kuò)散，這也是網(wǎng)狀共晶組織隨著超聲功率的提高尺寸逐漸減小的原因之一。

超聲波在熔體中產(chǎn)生的空氣泡爆裂時(shí)釋放出的高壓，提高了熔體壓強(qiáng)，使得熔體的凝固過(guò)程發(fā)生改變。由于在圖5中發(fā)現(xiàn)1 000 W超聲波介入，部分區(qū)域出現(xiàn)了離異共晶現(xiàn)象，初步認(rèn)為超聲功率的提高，使得液相線上移，即凝固區(qū)間變寬，使得初生相數(shù)量增多，CuAl2單獨(dú)沿晶界分布，如圖7所示。由于帶有高壓的空氣泡作用區(qū)域微小，因此只在部分區(qū)域出現(xiàn)了離異共晶現(xiàn)象，未受空氣泡影響的區(qū)域依然為共生共長(zhǎng)的共晶組織。

圖7 超聲功率改變Al-5% Cu合金凝固區(qū)間示意圖

3 結(jié)論

（1）提高超聲功率能夠有效地細(xì)化Al-5% Cu合金凝固組織。當(dāng)超聲功率為600 W時(shí)，其晶粒細(xì)化程度為47.2%；超聲功率為1 000 W時(shí)，其晶粒細(xì)化程度為55.5%；超聲功率為1 400 W時(shí)，其細(xì)化程度為22.6%。當(dāng)超聲功率為1 400 W時(shí)，組織粗化，無(wú)益于改善凝固組織。

（2）隨著超聲功率的增強(qiáng)，熔體處于液態(tài)的時(shí)間延長(zhǎng)，加速了溶質(zhì)原子在熔體內(nèi)的擴(kuò)散，使得網(wǎng)狀共晶組織隨著超聲功率的提高尺寸逐漸減小。

（3）隨著超聲波功率的提高，使得液相線上移，即凝固區(qū)間變寬，初生相數(shù)量增多，CuAl2單獨(dú)沿晶界分布，出現(xiàn)了離異共晶現(xiàn)象。

[1] 于浩. 高能超聲波對(duì)過(guò)共晶Al-Si合金組織影響的研究[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2012.

[2] 趙志偉, 關(guān)博文, 張棟. 超聲功率對(duì)Al-14Mg-7Si合金組織與性能的影響[J]. 特種鑄造及有色合金, 2020, 40(12): 1411-1414.

[3] 陸向科, 王孟君, 李新濤, 等. 超聲波功率對(duì)半連續(xù)鑄造6013鋁合金組織與力學(xué)性能的影響[J]. 輕合金加工技術(shù), 2019, 47(5): 25-29, 51.

[4] 雷吉, 平余劍, 武羅紅, 等. 超聲振動(dòng)和微量Sr+Sc對(duì)A380合金組織的影響及作用機(jī)理[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2018, 37(19): 112-117, 123.

[5] 呂海波, 杜陽(yáng), 索忠源, 等. 超聲處理對(duì)鑄態(tài)二元鋁青銅組織與性能的影響[J]. 特種鑄造及有色合金, 2020, 40(4): 462-464.

[6] 王志文, 王紅霞, 王萬(wàn)華, 等. 超聲處理對(duì)Mg－9Al-x Si(x=1,6)合金不同形貌 Mg2Si相形成機(jī)制的影響[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 38(5): 803-807.

[7] 許明方, 陳玉華, 鄧懷波, 等. 超聲輔助 CMT 電弧增材制造 TC4鈦合金微觀組織和力學(xué)性能研究[J]. 精密成形工程, 2019, 11(5): 142-148.

[8] 黃文先, 閆洪. 高能超聲與稀土釔復(fù)合作用對(duì)AZ91鑄態(tài)組織的影響[J]. 稀有金屬材料與工程, 2013, 42(11): 2346-2350.

[9] 畢秋, 李克, 高挺, 等. 超聲振動(dòng)功率對(duì)AZ31B鎂合金鑄錠凝固組織的影響[J]. 特種鑄造及有色合金, 2009(6): 576-578.

[10] 李軍文, 岳旭東, 陳萌, 等. 超聲波振動(dòng)對(duì)共晶灰鑄鐵中石墨形態(tài)的影響[J]. 熱加工工藝, 2009, 38(19): 36-38.

Effect of Ultrasonic Power on Solidification Structure and Solidification Behavior of Al-5% Cu Alloy

ZHAO Zhi-wei1, YU Jun-na2,3, LUO Chong-hui2,3, AN Hao-ying4

（1.Material Science and Engineering College, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China; 2.Jinzhou inspection and Testing Certification Center, Jinzhou 121000, China; 3. Jinzhou Product Quality Supervision and Inspection Institute, Jinzhou 121000, China; 4. Material Science and Engineering College Xi’an University of Technology, Xi’an 710000, China）

The effect of ultrasonic power on solidification structure of Al-5% Cu alloy was studied. The results show that with the increase of ultrasonic power, the grain size decreases first and then increases; When the ultrasonic power is 600 W, the grains can be refined and equiaxed grains can be formed, and the average grain size is 174.9 μm; When the ultrasonic power is 1 000 W, the microstructure is equiaxed and the average grain size is 147.5 μm. The eutectic structure is divorced eutectic; When the ultrasonic power reaches 1 400 W, the grain has a coarsening tendency, and the average grain size is 256.6 μm. No benefit to organizational improvement.

ultrasonic treatment; Al-Cu alloy; CuAl2; grain refinment; divorced eutectic

10.15916/j.issn1674-3261.2021.06.006

TG292；TG146.21

A

1674-3261(2021)06-0379-04

2021-06-15

趙志偉(1987-)，男，遼寧鞍山人，講師，碩士。

責(zé)任編輯：劉亞兵