超聲作用下半連鑄7050鋁合金的偏析行為及形成機制

黎正華，李曉謙，張 明，許顯華

(1. 中南大學 機電工程學院，長沙 410083；2. 中南大學 現代復雜裝備設計與極端制造教育部重點實驗室，長沙 410083)

超聲作用下半連鑄7050鋁合金的偏析行為及形成機制

黎正華1,2，李曉謙1,2，張 明1,2，許顯華1,2

(1. 中南大學 機電工程學院，長沙 410083；2. 中南大學 現代復雜裝備設計與極端制造教育部重點實驗室，長沙 410083)

采用SPECTRO-MAXx立式直讀光譜儀和Leica金相顯微鏡，研究超聲功率對半連鑄過程中7050鋁合金微觀組織及溶質 Zn元素徑向分布的作用規(guī)律。結果表明：在超聲外場作用下鑄錠組織明顯細化，混晶減少，溶質Zn元素的徑向逆偏析程度減弱，并隨著超聲功率的增加，晶粒細化程度及宏觀偏析的弱化效果更好，溶質Zn元素的偏析比由未加超聲時的1.190降低為240 W功率超聲作用時的1.086；在超聲外場調控下，鋁合金熔體偏析弱化的主要原因是由于形核率增加，晶粒細化，兩相區(qū)液固相相對運動速度減小；液穴變淺，由鑄錠收縮導致的富集液相徑向流動減弱，是徑向偏析程度減弱的另一原因；在半連續(xù)鑄造過程中，采用超聲外場控制液相的流動是弱化鑄錠徑向宏觀偏析的有效手段。

7050鋁合金；半連鑄；逆偏析；超聲；空化；偏析比

7050鋁合金是Al-Zn-Mg-Cu系高強鋁合金，在保持較高強度水平下具有韌性好、疲勞強度高、抗腐蝕能力強等綜合性能，是廣泛應用于飛機制造的航空高強度鋁合金。鋁合金材料的廣泛應用和飛速發(fā)展，尤其是在航空航天領域的應用，對變形鋁合金鑄錠及深加工后的性能提出嚴格的要求。因此，研究鋁合金的凝固過程具有重要的意義。其中，凝固組織的成分偏析問題是研究凝固過程的核心問題之一。偏析還使鑄錠的組織不均勻，不但增加鑄錠產生熱裂紋的傾向，同時對后續(xù)熱處理工藝和制品的最終性能也有不同程度的影響。因此，如何抑制宏觀偏析一直是眾多學者關注的課題。

近年來，在鋁熔體凝固過程中施加外場這一方法受到了極大地關注，已發(fā)展成一種新的改善金屬凝固組織的技術。國內外對外場作用半連鑄過程的探索始于20世紀初，ESKIN等[1]在鋁合金半連續(xù)鑄造過程中施加電磁場發(fā)現，在磁場受迫對流的作用下，鑄錠中的宏觀偏析得到弱化。ZHAO 等[2]和張勤等[3]也獲得相同的實驗結果，并對弱化偏析機理進行說明。YANG等[4]在Al-Si-Cu合金電磁離心鑄造實驗過程中發(fā)現鑄錠中宏觀偏析也得到減弱。以上這些工作多集中于電磁外場對宏觀偏析的實驗研究及機理探索，李英龍等[5]、范金輝和翟啟杰[6]以及蔣日鵬等[7]為代表的一批科研工作者對超聲外場的研究也多集中于對晶粒尺寸及形貌的影響，對宏觀偏析的研究多處于定性階段，而關于超聲外場作用下溶質元素在半連續(xù)鑄造過程中的分布研究鮮見報道。本文作者通過在半連續(xù)鑄造過程中施加不同超聲功率進行實驗對比，研究超聲外場對7050鋁合金溶質元素宏觀偏析的作用規(guī)律，初步探討超聲外場抑制宏觀偏析的作用機理。

圖1 超聲半連鑄示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic semi-continuous casting

表1 實驗用7050鋁合金合金成分Table 1 Chemical composition of 7050 aluminum alloy(mass fraction, %)

1 實驗

1.1 實驗裝置

超聲波發(fā)生器：輸出功率為105、135、170、200、240 W；輸出頻率為(19±0.5) kHz；

超聲振動系統：PZT壓電陶瓷換能器；45#鋼變幅桿；鈦合金工具桿。

其它輔助設備：2 t熔煉爐和半連續(xù)鑄機及配套的溫度控制記錄儀，熱電偶，位移控制操作裝置，SPECTRO-MAXx立式直讀光譜儀，Leica臺式金相顯微鏡，其實驗裝置如圖1所示。

1.2 實驗材料

實驗材料為7050鋁合金，由質量分數為99.7%的工業(yè)純鋁鑄錠和各種合金母錠混合配置而成，材料的合金成分由ICP-AES方法實測所得如表1所列。

1.3 實驗方案

實驗采用的鑄造工藝參數為：鋁熔體溫度700 ℃，鑄造速度約0.72 mm/s，結晶器以及噴淋水水壓約0.10 MPa，在鑄造過程中從頂部直接加入超聲波并盡可能保持其它鑄造工藝條件不變。采用“插絲法”測定初始凝固前沿的位置點及其高度，即分別插入鐵絲測h1和h2的值(見圖2)，其中h1為沿鑄錠中心線方向測得的液穴最深處與液面之間的距離，h2為沿結晶器內壁測得的液穴最淺處與液面的距離，定義液穴深度h=h1?h2。圖2中vshr為鑄錠收縮引起的流速，α為液穴切線與水平方向的夾角，vh為 vshr正交分解后的水平分量，vv為vshr正交分解后的豎直分量。

采用SPECTRO-MAXx立式直讀光譜儀對不同工況下的鑄錠橫截面進行成分測定，確定試樣的徑向溶質元素分布。采用偏析比q作為偏析量化的指標：

圖2 DC鑄造過程中鑄錠收縮引起的流動以及液穴測量位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of shrinkage flower and measure location of sump in DC casting

式中：wmax和wmin分別表示凝固組織中溶質質量分數的最大值和最小值。

實驗對比工況：未施加超聲場對鋁合金熔體施加功率超聲，超聲波發(fā)生器輸出功率分別為135、170、240 W，工作頻率為(19±0.5) kHz。

2 結果與分析

圖3所示為半連續(xù)鑄造過程中不同超聲功率作用下鑄錠中心和邊部的微觀組織。由圖3可看出，無超聲作用時，鑄錠邊部和中心均存在混晶，即粗大晶粒與細小晶粒混雜在一起，晶粒尺寸差異特別明顯(見圖3(a)和(e))，觀察超聲外場作用下鑄錠微觀組織發(fā)現，混晶尺寸差異逐漸減小，邊部和中心組織均得到不同程度的細化，且組織分布更為均勻，呈球形，微觀組織的形貌也由發(fā)達的柱狀晶轉變?yōu)榈容S晶。這說明在超聲外場作用下，超聲波對鋁合金鑄錠整個截面內的凝固組織均具有很好的細化效果。對比功率超聲作用后的凝固組織表明，超聲功率對鑄錠的凝固組織細化效果不同，240 W功率超聲作用對鑄錠具有最佳的細化效果。

其原因可能是超聲波的空化效應和聲流效應對形核和形核長大過程的作用，一方面超聲空化泡在崩潰的瞬間聚集的能量迅速釋放出來，產生瞬時高溫高壓[8?10]，使得空化泡周圍的熔體產生瞬時過冷，顯著提高形核率；另一方面空化泡崩潰時產生的沖擊波和激射流使得近程有序的液體分子轉變?yōu)檫h程有序，開始自發(fā)形核，二次提高形核率。同時，強烈的沖擊波可以打斷或熔斷正在生長的晶核，從而抑制枝晶的生長；晶核隨著液相運動，擴散到鑄錠各個部位，從而促進整個鑄錠的形核，使形成的組織更為均勻。超聲波的空化效應和聲流效應隨著超聲功率的增加而增強，因此，超聲功率越大，微觀組織的均勻化細晶效果越好。

表2所列為實驗測得的凝固前沿h、h1和h2值。由表2可看出，液穴深度h隨著超聲功率的增加逐漸變小，當超聲功率值為240 W時，液穴深度h值相對于無超聲外場作用時減少13 mm。

表2 實驗所測的凝固前沿形態(tài)隨超聲功率變化規(guī)律Table 2 Evolution of solidifying front shape with ultrasonic power by experimental measurement

產生上述現象的原因在于功率超聲作用時，超聲外場產生的空化效應和聲流效應加速液穴內熔體的傳質和傳熱過程[11?12]，整個液穴內溫度場趨于均勻，同時增大了熔體的過冷度，顯著提高熔體中的形核數目[13?15]，表現為液穴內大量晶核在相似的環(huán)境中進行同向生長，形成細小的等軸晶(見圖3)。由于中心的溫度梯度小于邊部的溫度梯度，因此，超聲對溫度場的作用效果對鑄錠中心的影響要比邊部作用效果強，使得液穴深度降低，并隨著超聲功率增大，空化作用增強，傳質傳熱過程更為顯著，因此液穴的深度也變淺。

圖4所示為溶質Zn元素在鑄錠橫截面內的徑向分布。橫坐標值為沿半徑方向結晶器壁與測量點之間的距離，縱坐標值為Zn濃度，Y坐標軸相當于結晶器壁，右端為鑄錠的中心。由圖4可知，溶質Zn元素在鑄錠中存在逆偏析，中心部位含量低于鑄錠邊部。通過未加超聲和施加功率超聲對比，Zn溶質分布變化曲線在超聲作用下趨于平坦，分布變得均勻。在實驗儀器所提供的240 W超聲功率內，超聲功率越大，耦合的偏析曲線越平坦，溶質元素徑向分布情況越均勻。

圖3 在不同超聲功率下7050鋁合金鑄錠的顯微組織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

宏觀偏析的出現與合金的凝固過程緊密相關，凝固時的液相流動對液穴中溶質的擴散起決定性作用[16]，本文作者針對 7050鋁合金半連續(xù)鑄造中溶質Zn元素的逆偏析現象，采用超聲外場控制液相流動的方法來控制鑄錠徑向宏觀偏析的主要原因如下。

圖5所示為超聲功率與偏析比之間的變化規(guī)律。由圖5可看出，隨著超聲功率的增加，Zn元素的偏析比由未加超聲時的 1.190降為施加 240 W 超聲時的1.086，偏析程度顯著降低。

圖4 不同超聲功率下溶質元素的徑向分布Fig.4 Solute concentration profile under different ultrasonic powers

圖5 溶質Zn元素偏析比隨超聲功率變化規(guī)律Fig.5 Evolution of segregation ratio of Zn with ultrasonic power

2.1 超聲外場對兩相區(qū)流場的影響

對比澆注口引起的外流場和超聲流場，超聲流場對細晶區(qū)域的貢獻很小，即相對澆鑄速度而言，導入超聲時超聲聲流的流速對整個液穴的宏觀流場影響不大[17]。由于導致合金元素宏觀偏析的主要原因為兩相區(qū)液固相的相對運動，因此，研究純液相流場對溶質分布的影響沒有多大意義。

對于兩相區(qū)，根據不同的固相分數，可將其分為漿狀區(qū)和糊狀區(qū)，在這兩個區(qū)域的流場情況是截然不同的。漿狀區(qū)固相率為 0~0.3，固相懸浮在液相中，影響溶質分布流場的因素主要是溶質對流和外場強迫對流[18]。在凝固過程中，固相的溶質平衡濃度要低于液相的溶質平衡濃度，因此，液相中先結晶懸浮晶粒的相對運動和長大過程是造成偏析的一個重要的原因。懸浮晶粒中溶質濃度相對較低，在運動的過程中長大，由于重力和浮力的相互作用，最終沉積下來。由于固相和液相密度不一樣，固相在伴隨液相運動的過程中速度存在差異，固液相的相對速度越小，液穴內溶質分布越均勻，由Ni和Incropera提出的液固相相對速度的表達式[1]：

式中：vs為固相速度；v1為液相的速度；gs為固相分數；ρs為固相密度；ρl為液相密度；ds為液相中漂浮的晶粒尺寸；g為重力加速度；μm為固液相混合熔體的相對粘度。

液相中漂浮的晶粒尺寸ds是介于臨界晶核半徑和鑄錠中晶粒尺寸之間的值。在一定固相分數下，臨界晶核半徑減小，形核率增加，結果表現為鑄錠截面上晶粒尺寸的減小，并且在0~240 W有效功率范圍內，超聲功率越大，細化效果越明顯，如圖3所示，因此超聲外場作用時液相中漂浮的晶粒尺寸 ds也是減小的。分析式(2)可知：當固相分數一定時，由于超聲外場使得液相中漂浮的晶粒尺寸減小，導致液固相相對運動速度減小，即超聲外場的引入有效地控制了漿狀區(qū)的液固相相對運動，弱化了偏析的程度。

2.2 鑄錠收縮導致的流動

在漿狀區(qū)下面的糊狀區(qū)，液相進一步凝固，固相率為0.3~1.0，固相晶粒之間相互搭接形成了一個剛性骨架，對于鋁合金而言體積收縮率約為6%~8%，鑄錠收縮的同時導致液相沿體積收縮方向流動，由于補償的液相流體溶質成分含量要高于鑄錠的平均成分，因此，凝固前沿富集溶質的液相收縮流動是導致鑄錠宏觀偏析產生的原因之一。DC鑄造過程鑄錠收縮引起的流動情況如圖2所示，鑄錠收縮速度分量可正交分解為豎直分量vv和水平分量vh，其中：

式中：vshr為鑄錠收縮引起的流速；β為收縮率；gl為液相分數；vcast為鑄造速度。

豎直分量與鑄造速度方向相同，水平分量沿鑄錠的半徑方向指向鑄錠的表面，會使溶質由鑄錠的中心向表面運動，盡管這一物理過程發(fā)生得很慢，運動的距離很短，但是，當所有的溶質都存在這種運動趨勢時，在鑄錠的表面將形成正偏析，而沒有更加富含溶質的熔體補償鑄錠的中心部位，因此在鑄錠的中心形成負偏析。超聲場的加入使得液穴變淺，且超聲功率越大，液穴深度越淺，又由于 ＜45°，因此，由鑄錠收縮引起的液相水平速度分量隨超聲功率的增加而減少，進而使得逆偏析程度降低。另外，施加功率超聲能有效抑制枝晶的生長，促進等軸晶的形成，使得液相在枝晶間傳輸的阻力增加，從而弱化偏析的程度。再者，施加超聲外場能有效降低鋁熔體中的氫氣濃度，這些均有利于抑制枝晶間的溶質流動[10,18]。

為了更好地反映鑄錠收縮對徑向宏觀偏析的影響，引入凝固過程水平方向溶質傳遞距離(Lh)公式[1]：

式中： 為液穴切線與水平方向的夾角；A為常數，與合金的成分有關；Lm為糊狀區(qū)高度；β為收縮率；c0為合金元素的液相成分。

(dLh/dR)/c0的值為鑄錠徑向相對偏析比值，其值能有效地反映鑄錠徑向的相對偏析程度。分析式(4)可知：鑄錠徑向相對偏析比值隨液穴切線與水平方向的夾角 的減小而減小，而在實驗功率下，隨著超聲功率的增加，液穴深度h逐漸變小，相對偏析比降低，因此，鑄錠的徑向宏觀偏析程度隨著超聲功率的增加呈減弱的趨勢。

3 結論

1) 超聲處理能促進晶核的形成，有效地細化鑄錠微觀組織，并呈球狀。

2) 半連續(xù)鑄造過程中，超聲外場作用使得液穴變淺，由鑄錠收縮導致的富集液相徑向流動減弱，相對偏析比降低，逆偏析程度減弱。

3) 晶粒的細化阻礙富集液相在枝晶間的流動，同時使得兩相區(qū)液固相相對速度減小，從而降低溶質元素的逆偏析程度。

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Segregation behavior and formation mechanism of 7050 aluminum alloy produced by semi-continuous casting under ultrasonic field

LI Zheng-hua1,2, LI Xiao-qian1,2, ZHANG Ming1,2, XU Xian-hua1,2
(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Key Laboratory of Modern Complex Equipment Design and Manufacturing, Ministry of Education,Central South University, Changsha 410083, China)

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.

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

TG249.7, TB559

A

1004-0609(2011)02-0318-07

國家重點基礎研究發(fā)展計劃資助項目(2010CB731700)

2010-04-08；

2010-07-29

李曉謙，教授，博士；電話：0731-88877380；E-mail: meel@csu.edu.cn

(編輯 李艷紅)