超聲波功率對鑄軋5182鋁合金帶坯組織性能的影響

郝建飛+李潤霞+王順成+李繼林+甘春雷+宋東福

摘要： 采用超聲波連續鑄軋工藝制備5182鋁合金帶坯，研究了超聲波功率對5182鋁合金帶坯組織性能的影響.結果表明：施加超聲波振動可細化5182鋁合金帶坯的晶粒組織，減輕元素的偏析程度.超聲波的功率越大，5182鋁合金帶坯的晶粒越細小，元素偏析程度越小，拉伸力學性能越高.當超聲波功率為800 W時，5182鋁合金帶坯的抗拉強度為211.4 MPa，伸長率為18.4%，與未施加超聲波振動相比，此時5182鋁合金帶坯的抗拉強度提高了15.8%，伸長率提高了26.0%.

關鍵詞： 5182鋁合金； 連續鑄軋； 超聲振動； 超聲波功率

中圖分類號： TG 146.21

文獻標志碼： A

連續鑄軋工藝具有工藝流程短、投資規模小和高效節能等優點，在鋁合金帶坯生產中得到廣泛應用[1-2].但常規的連續鑄軋工藝目前只能生產1xxx系、3xxx系和8xxx系等低合金化的鋁合金帶坯，尚不能生產5xxx系和6xxx系等合金化程度較高的鋁合金板帶坯，原因是鋁合金板帶坯容易出現元素偏析、晶粒粗大等問題[3].為了解決上述問題，Mao等[4]研究了超聲波振動對鑄軋1235鋁合金帶坯顯微組織的影響，夏晨希等[5]研究了超聲波處理對鑄軋3003鋁合金帶坯組織性能的影響.研究結果表明，在連續鑄軋過程中施加超聲波振動可以細化鋁合金板帶坯的晶粒組織，減輕元素微觀偏析程度，進而提高鋁合金帶坯的塑性和強度.5182鋁合金具有良好的抗腐蝕性能、加工性能和焊接性能，廣泛應用于汽車、船舶、電子電器和航空航天等領域[6]，但5182鋁合金帶坯目前主要采用熱軋工藝生產，尚未見到采用連續鑄軋工藝生產[7-8].因此，本文采用超聲波連續鑄軋工藝生產5182鋁合金帶坯，研究超聲波功率對5182鋁合金帶坯組織性能的影響.

1 試驗材料與方法

試驗材料為5182鋁合金，采用工業純鋁（99.7%，質量分數，下同）、工業純鎂（99.8%）、速溶硅和Al10Mn合金熔煉配制，熔煉設備為100 kg鋁合金熔煉爐，經SPECTROMAX光電直讀光譜儀測定，其化學成分為：Mg 4.62%，Mn 0.46%，Si 0.16%，Fe 0.14%，Cu 0.1%，余量為Al.

試驗設備為輥徑400 mm的水平式雙輥鑄軋機、電磁感應加熱爐和超聲波發生器.其中，鑄軋機的鑄嘴寬為200 mm，鑄嘴型腔高為18 mm，鑄軋區長度為50 mm.超聲波發生器的頻率為20 kHz，最大功率為1 kW，且功率可調.壓電陶瓷式換能器的直徑為50 mm，導入桿材料為合金鋼.圖1為超聲波連續鑄軋裝置示意圖.

在電磁感應加熱爐內于740 ℃加熱熔化5182鋁合金，進行精煉、扒渣后，將5182鋁合金液導入鑄軋機前箱，保持前箱內5182鋁合金液的溫度為690 ℃，將超聲波導入桿插入液面下10 mm，分別在超聲波功率為300，500和800 W的條件下，將5182鋁合金液連續鑄軋成寬為220 mm、厚為6.2 mm的5182鋁合金帶坯，鑄軋速度為1.2 m/min.

試驗完成后，在5182鋁合金帶坯上取樣，試樣經磨制、拋光和腐蝕后，在LEICADMI3000M金相顯微鏡上對帶坯橫截面（顯微照片即為橫截面照片）組織進行觀察，在Nova NanoSEM 430掃描電子顯微鏡上觀察試樣的第二相粒子大小、形貌及其分布，并對第二相粒子進行能譜分析.將鋁合金板帶坯加工成標準拉伸試樣，在DNS200型電子拉伸機上進行室溫拉伸，拉伸速度為2 mm/min.

2 試驗結果與分析

2.1 微觀組織

圖2為超聲波功率對鑄軋5182鋁合金帶坯顯微組織的影響.從圖2（a）可看到，未施加超聲波振動時，5182鋁合金帶坯中的顯微組織均為粗大的αAl枝晶，在αAl枝晶的晶界處存在大量的共晶相，對帶坯的共晶相進行能譜分析.根據析出相的各元素含量可知，晶界處的共晶相是由淺灰色骨骼狀的β（Al8Mg5）相和灰色塊狀的Al6Mn相組成.如圖3所示，在晶界處偏聚的共晶相是由于鋁合金液體在凝固過程中，Mg原子在合金液體中來不及擴散發生非平衡結晶形成的Al8Mg5相，以及Mn原子在Al基體中固溶度較低而偏聚于晶界形成的Al6Mn相[9-11].表明5182鋁合金帶坯存在Mg，Mn合金元素的微觀偏析.從圖2（b）～（d）可看到，當施加超聲波振動后，隨著超聲波功率的增大，5182鋁合金帶坯的αAl枝晶晶粒逐漸得到細化，αAl枝晶晶間的Al8Mg5，Al6Mn共晶相含量越少，帶坯中的Al8Mg5，Al6Mn共晶相含量趨于更加均勻，表明施加超聲波振動可細化5182鋁合金帶坯的晶粒組織，減輕Mg，Mn合金元素的微觀偏析程度.

對于超聲波振動細化合金的晶粒，國內外學者提出了眾多理論，目前被大多數學者所接受的是超聲空化效應和聲流效應[12-13].在超聲波負壓下，液體分子被拉裂產生空化泡，空化泡破裂時會從周圍的液體中吸收熱量，造成局部過冷，因而在空化泡的附近形成晶核，使晶核的形核率增加，組織得到細化.在空化泡崩潰過程中，強烈的沖擊波將擊碎初生晶體和正在長大的晶體，而破碎的晶體在聲流的攪拌作用下，再次分布到熔體中，提高了生核率.合金的顯微偏析程度與熔體的冷卻速率、雜質元素的擴散程度、凝固前沿熔體的熱對流程度以及溶質的分配系數有關.而超聲波能夠減輕元素偏析是因為，在鋁熔體中施加超聲波后，在交變聲場的作用下產生的空化泡在經過周期性振蕩下長大并瞬間崩潰，在晶核簇附近產生劇烈振蕩，使晶核脫落，分散開來，經過超聲聲流的攪拌作用，晶核均勻地分布到熔體中的各個部位，促進了溶質元素和一些微細顆粒的均勻彌散，減小了溶質富集層的厚度，同時在施加超聲振動過程中晶粒得到細化.晶粒越小，晶粒之間相互接觸的生長過程就越短，晶粒內的溶質在晶粒間的累積時間就越短，顯微偏析出現的幾率就越減小.endprint

在5182鋁合金帶坯鑄軋成形過程中，由于水冷軋輥的冷卻作用，會在熔體內產生較大的過冷度，該過冷度會促使晶核在結晶區內形成.由于表層熔體散熱方式是單向散熱，使得結晶區的晶核會逆著熱流方向擇優生長，導致在常規鑄軋工藝下的5182鋁合金帶坯以粗大的αAl枝晶為主.同時由于5182鋁合金的合金化程度較高，因此在鑄軋成帶坯時，容易產生較為嚴重的Mg，Mn合金元素偏析[14-15].在鑄軋過程中施加超聲波振動之后，一方面，超聲波產生的空化效應可以使鋁熔體產生強烈的振蕩，加劇熔體的結構起伏和能量起伏，使生長中的或已經長大的αAl枝晶熔斷、脫落，彌散分布在亞穩態溶體中，促進金屬的非均質形核，提高形核率，使晶粒細化 [16-18]；另一方面，超聲波產生的聲流效應，對鋁熔體具有攪拌作用，溶質元素Mg，Mn隨鋁熔體不斷翻滾、擴散，在凝固過程中呈彌散分布，使得溶質元素Mg，Mn在晶內和晶界上分布更加均勻，從而使5182鋁合金帶坯晶界處的Al8Mg5，Al6Mn共晶相富集量減少，分布更均勻[19-20].

2.2 力學性能

圖4為超聲波功率對5182鋁合金帶坯拉伸力學性能的影響.從圖4中可以看出，5182鋁合金帶坯的拉伸力學性能隨著超聲波功率的增大而逐漸提高.當未施加超聲波振動時，5182鋁合金帶坯的抗拉強度為182.6 MPa，伸長率為14.6%.當超聲波功率達到800 W時，5182鋁合金帶坯的抗拉強度為211.4 MPa，伸長率為18.4%，與未施加超聲波振動相比，此時5182鋁合金帶坯的抗拉強度提高了15.8%，伸長率提高了26%.

3 結 論

（1） 在連續鑄軋過程中施加超聲波振動，可細化5182鋁合金帶坯的晶粒組織，減輕元素偏析.超聲波的功率越大，5182鋁合金帶坯的晶粒越細小，元素偏析程度越小，拉伸力學性能越高.

（2） 當超聲波功率為800 W時，5182鋁合金帶坯的抗拉強度為211.4 MPa，伸長率為18.4%，與未施加超聲波振動相比，此時5182鋁合金帶坯的抗拉強度提高了15.8%，伸長率提高了26%.

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