超聲熔體處理技術對7075 鋁合金鑄態組織及性能的影響

孟憲林

（沈陽遠大裝備科技有限公司，遼寧 沈陽 110027）

鋁合金晶粒的大小直接影響其力學性能，細晶強化可以提高鋁合金的力學性能和改善鋁合金變形的均勻性[1]。

鋁合金細晶強化的方法有技術主要有熔體過熱法、變質處理法、合金元素添加法和熔體攪拌法等。超聲（Ultrasonic）細化屬于合金熔體攪拌法的一種方式，其原理是利用超聲場在熔體中產生的聲空化和聲流效應達到除氣和細化組織的目的[2，3]。

合金熔體在凝固過程中進行超聲處理會使晶粒變細，改變其中一些物理機械性質，如延伸率，強度和變形特性等等。

1 實驗設備及方法

1.1 試驗合金

以航空航天領域常用的7075 鋁合金為研究對象，分別研究了單純的重力鑄造（無超聲）和超聲鑄造的鑄棒，通過對金相和力學性能的檢測，定性研究超聲對7075 鋁合金鑄棒的影響，具體試驗條件如表1 所示。

表1 試驗條件

1.2 試驗設備

試驗設備如下圖1 所示，采用井式坩堝爐將鋁合金原料加熱至熔融狀態，采用沈陽遠大裝備科技有限公司自主研發的超聲輔助鑄造設備，將超聲振動引入到熔融鋁合金熔體當中。在鑄造時，超聲波通過工具頭引入到鋁合金熔體中，此次試驗分別針對兩種合金，在不同溫度，進行超聲輔助除氣和細化晶粒處理，對比鋁合金試樣在不同試驗條件下的組織和機械性能。

圖1 實驗設備

超聲波輔助鑄造設備主要由超聲波發生器（超聲電源）、超聲波換能器、變幅桿、工具頭、不銹鋼坩堝及電阻爐等組成。

超聲裝置的功率為3kW，工作主頻率為20kHz，并且具有連續可調節、頻率可跟蹤的特點，用于實驗過程中對熔體的超聲處理。

2 實驗結果與分析

實驗樣品用水磨金相砂紙打磨至鏡面，表面粗糙度約為Ra0.4，使用硝酸酒精溶液對合金表面進行腐蝕，以觀察其金相組織，使用蔡司熱場Gemini SEM 300 掃描電鏡觀測晶相尺寸及微觀結構成分分析。

圖2 蔡司Gemini SEM 300 掃描電子顯微鏡

2.1 金相分析

圖3 未經處理的7075 鋁合金金相形貌

由圖3 可以看出，7075 鋁合金在未經超聲處理處理條件下，最大晶粒尺寸約180μm，平均晶粒尺寸約為100-120μm，最小晶粒尺寸為30μm。從能譜分析可以看出，合金元素Mg、Cu 和Zn在晶界處發生一定程度的富集，但第二相組織尺寸較小。

圖4 7075 鋁合金在680℃引入超聲處理后的鑄態組織形貌

由圖4 可以看出，7075 鋁合金在680℃下，經過超聲處理，最大晶粒尺寸約60μm，平均晶粒尺寸約為30μm，最小晶粒尺寸為10μm。從能譜分析可以看出，合金元素Mg、Cu 和Zn 在晶界處發生明顯富集，且形成了粗大的第二相組織。

圖5 7075 鋁合金在700℃下引入超聲處理的鑄態組織形貌

由圖5 可以看出，7075 鋁合金在700℃下，經過超聲處理，最大晶粒尺寸約60μm，平均晶粒尺寸約為30μm，最小晶粒尺寸為10μm。從能譜分析可以看出，合金元素Mg、Cu 和Zn 在晶界處發生明顯富集，且形成了粗大的第二相組織。

2.2 力學性能分析

圖6 拉伸試樣圖紙

鋁合金鑄錠根據國標要求，加工成如圖6 所示試樣，進行力學拉伸試驗，將相同鑄造條件鑄錠分為鑄態和熱處理態進行對比分析，均質化時效熱處理制度為450℃×4h+140℃×34h，所得力學性能對比如下圖7 所示。

圖7 不同條件下7075 鋁合金力學性能

（NC-未進行超聲處理 Y6-在680℃條件下進行超聲處理 Y7-在700℃條件下進行超聲處理 TS-抗拉強度 YS-屈服強度 TS2-未經熱處理試樣的抗拉強度 YS2-未經熱處理試樣的屈服強度）

對比圖7 中力學性能可以看出，在相同熱處理狀態下，經超聲處理的鋁合金性能明顯優于未熱處理鋁合金，性能提升效果可以達到60%左右；熱處理過程可以繼承超聲波處理對鋁合金性能的提升效果，而且，超聲波處理對熱處理過程有良性影響，即可以提高熱處理過程對材料性能提升的幅度。

圖8 140℃條件下時效時間對試樣硬度的影響

圖8 顯示了試驗樣件的硬度在140℃條件下進行處理，時效時間對試樣硬度的影響，試驗結果表明，試樣硬度最大值出現在17 小時，并且不同試驗條件的樣件獲得最大硬度值的時效時間相同，并且通過對比可以發現，經過超聲處理的樣品在所有時間都具有更高的硬度。

2.3 理論分析

將大功率超聲設備輸出的超聲振動引入到鋁合金熔體過程當中，熔體內部產生大量的空化泡，空化泡迅速發生崩潰，產生高能沖擊波，將結晶長大的晶粒打碎，抑制了晶粒的長大，被破碎的晶體結構在聲流的攪拌作用下，彌散地分布在熔體里，提高了形核率，所以凝固后的基體晶粒變成細小、均勻的等軸晶。超聲波的攪拌作用，可以明顯提高溫度和化學成分的均勻性，抑制柱狀晶的產生，減少偏析現象。由于超聲波的晶粒細化作用，晶粒的數量迅速增加，從而使材料內部晶界數量顯著增加，晶界數量的增加阻止了位錯運動的產生，提升了材料的塑性變形抗力，即增加了材料的硬度。

3 結論

（1）經過超聲處理后的7075 鋁合金有效的促進了其晶粒細化程度，抑制了第二相MgZn2在晶粒內的析出，并促進其在晶界處的均勻分布。

（2）7075 鋁合金經過超聲處理后，硬度值和力學性能均得到了明顯的提高，并且這種增幅可以伴隨熱處理工藝而被保留，使材料性能得到更大幅度的提升。

（3）超聲波處理所產生的空化效應、破碎效應和聲流攪拌效應，是促進合金晶粒細化和第二相析出的主要原因。