超聲處理對Al-2Cu合金凝固組織及熔體除氣效果的影響

2024年2月4日發(作者：艱苦的意思)

-54

-輕金屬2020年第1期-輕合金及其加工-超聲處理對Al_2Cu合金

凝固組織及熔體除氣效果的影響陳杼鑫3路林1，賈征72杜安娜3徐海鵬3王彤2(7沈陽大學

機械工程學院，遼寧

沈陽70444；2.東北大學材料電磁過程研究教育部重點實驗室，遼寧沈陽7481)摘

要：本試驗研究了超聲處理時間對A-2Cu合金凝固過程中組織及熔體除氣效果的影響。結果表明:采用功率為2000

W、

頻率為22

kHa對A-2Cu合金熔體施加超聲處理，可以獲得良好的除氣效果，使鑄錠晶粒細化；當超聲處理時間約為5

-時，晶

粒細化和除氣效果最佳,鑄錠斷面幾乎72%為等軸晶，鑄錠密度以及除氣率分別達到了

2.520

g

-

m-和6%

o

關鍵詞：超聲處理;Ai-2Cu合金;密度；除氣率；空化效應中圖分類號：TG

15.

2

文獻標識碼：A

文章編號：122

-

752(2222)10-0254-24DOI：

12.

13662/j.

cnkh

qjs.

2220.

12.

HInfluercc

of

ultrasonic

treetmert

on

soliUiUcctionstricture

and

melt

deyassing

effect

of

Ai

-2Cu

aliosCked

ZUuxiu1

,

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,

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,

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U

Mechanical

Engineering,

Shenyana

University,

Sheayaag

70444,

China

；2.

Key

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Educatiou,

NorOieastero

Unwersity,

SSenyang

7081

,

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OCuence

of

ultrasouie

treatment

Uoa ox

tUa

structure and

melt deaassOa

effect

of

Ai —

2Cu alloy

durina

tUa

solikiOcatiou

process

wcs

stud-ied

in

this

test.

The

result

showed

tUct

tUa

favoraPia deaassOa

effect

anU

grain

refiuement

could

ba

achieved

after

tUa

ultrasouie

treatment

of

Ai —

2Cu

alloy

melt ct

2002

W

and

22

kHz.

When

tUe

t^eatment

Uoe

wcs

aPout

99

s,

both

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grain

refiuement

anU deaassOa

effects

were

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The

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12%

equiaxed.

TUe ingot

densip

and

deaassOg

rate

reached

2.

365

g

?

cm

_3

and 67%

,

words:ultrasouie meatment；

Ai

-2Cu

alloy；

density；

deaassOa

rate；

cavitatiox effect超聲波因其對環境友好,越來越普遍地應用于

各行各業中口-2。在金屬熔煉過程中，熔體加熱時

13試驗裝置本試驗采用的超聲處理裝置如圖7所示,超聲波

發生器的最大輸出功率為2002

W,頻率為22

kHz,,并搭

間較長，熔體內部溶解著大量的氫離子，冷卻過程中

氣體溶解度下降導致過量的氫氣逸出，析出的氫氣

配有機械變位裝置以控制超聲波探針位置與姿態，測

容易吸附于雜質或新形成的晶粒上，凝固后形成氣

孔，晶粒尺寸也較大。超聲波具有獨特的能量傳遞

方式,對金屬熔體施加超聲場,熔體在作為超聲傳遞

溫儀器控制熔體溫度，采用型號SG7.

5-17X業電阻

爐熔煉A_2Cu合金。介質的過程中受超聲作用反復激蕩，使熔體在凝固

過程中形成的晶粒在超聲作用下相互碰撞破碎為細

超聲波換能器變幅桿

超聲波探頭小晶粒，從而使得柱狀晶轉變為較細小的等軸

晶[4-5]o超聲作用同時促進熔體內部氣體逸出，凝

固后氣孔的數量明顯減少。超聲作用鑄錠的微觀組

Al-

2Cu電阻保溫丫控溫儀織細化及力學性能的提高均有顯著的作用4⑷o1

試驗方法圖1超聲裝置示意圖基金項目：遼寧省自然科學基金(2276522294);遼寧省自然科學基金指導計劃項目(2219

-

ZD

-2551)

；2219年沈陽大學大學生創新創業訓練計

劃項目(2277235212)；國家自然科學基金清年科學基金項目(5

741237)；遼寧省科學技術基金，博士啟動基金(227-BS-083)

作者簡介:陳杼鑫(1096

-),男，遼寧沈陽，碩士研究生，研究方向：鋁合金成形工藝。通訊作者:賈征(1052

-),男，遼寧沈陽，講師，博士后，主要研究方向:鎂合金增材制造、鎂合金成型、鎂合金開發及復合材料制備。

收稿日期：2222-22-1

2020 年第

10

期陳杼鑫等:超聲處理對Al-0/u合金凝固組織及熔體除氣效果的影響-55

-1.3試驗過程分別將99.9%的工業純鋁與純銅經配料計算

放入井式電阻爐中，熔煉成Al-0/u合金。使用攪

拌器對熔體進行三次充分攪拌，澆鑄成鑄錠后切割

成小立方體作后續重熔使用。將試樣分為四組放置

于坩堝中進行重新熔煉，重熔過程中當溫度達到

720

C左右施加超聲處理。利用2000

W超聲儀器對熔體進行超聲處理,

將已經開始震動的探頭浸入液面下5

mm,分別進行

未施加超聲和對熔體施加60

s、99

s、120

s超聲處理

的四組試驗。試驗后將鑄錠切割成10

mm

X

2

mm

X

14

mm

立方體試樣后進行打磨、拋光、腐蝕以觀察其宏觀微

觀組織狀態，并利用阿基米德原理對試樣密度進行

測試，并與Al-0/u合金的標準密度進行比較來確

定試樣內部氣孔體積。0

試驗結果及分析2.1鑄錠的宏觀組織Al-0/u合金熔體放置在超聲場中保持不同時

間后的鑄錠宏觀組織形貌如圖2所示。由圖2(a)

可見，熔體未經過超聲處理的鑄錠中心分布著多個

大氣孔，晶粒尺寸較大；由圖2(b)可見，熔體經過

60

s的超聲處理時，凝固組織晶粒尺寸明顯減小，但

肉眼可見原本在鑄錠中心的大氣泡變化為細小的氣

泡且分散在整個鑄錠之中；從這四組試驗宏觀組織

對比可見，熔體經超聲處理90

s時，鑄錠的晶粒度

達到最小,且鑄錠內可見的氣孔數量也最少,尺寸也

最細小，如圖2(c)所示；140 s時由于溫度下降，熔

體黏著度增加，超聲處理時間過長使得凝固組織氣

孔開始再次增多，如圖2(d)所示。2.2微觀組織為了更加深入地剖析超聲對熔體凝固組織的影

響，對Al-0/u合金經不同時間超聲處理的微觀組

織進行分析，如圖3所示。由圖3可見，無超聲處理

的鑄錠存在較大氣孔,凝固組織為隨機分布的柱狀

晶，且晶粒尺寸較大;而經過60

s超聲場處理后，柱

狀晶變短，晶粒尺寸減小，晶界更為圓滑，出現了更

多的樹狀枝晶與等軸晶,氣孔數量有一定增加,在超

聲處理60

s時,熔體內部過剩的氫氣正在加速逸出

導致氣孔數量有少量增加,這是由于超聲處理使大

氣泡被震碎,氣孔尺寸有一定減小，如圖3(b)所示；

當超聲處理達到99

s時，樹枝晶減少，等軸晶圓整度顯著增加，晶粒尺寸大致趨于均勻一致，氣孔數量

最少，如圖3(c)所示；當超聲處理達到120

s時，鑄

錠凝固組織樹枝晶間的氣孔變大，晶界處偏析加重,

等軸晶存在再次增大趨勢，如圖3(d)所示。a-未施加超聲處理 b-超聲處理60sc-超聲處理90s

d-超聲處理120s圖7熔體超聲處理時間對Al-7/u合金鑄錠宏觀組織的影響c-

90sd-

120s圖3

Al-7/u熔體在超聲中保持

不同時間后鑄錠微觀晶相組織

-52

-2.3

Al-2Cu熔體除氣結果輕金屬2020年第1期錠密度值,因此鑄錠密度和除氣率的變化是一致的,

合金熔體除氣效果及除氣率常使用密度法進行

二者折線圖形狀一致。由圖4可見，未施加超聲處

表征，密度法的除氣率n具體計算公式參見式

(1[5]：理時鑄錠除氣率以及密度低，其測量值僅為2.

6831

g

?

cm—5；當施加超聲處理后,合金冷凝后密度值以

及除氣率有著顯著的增加，表明超聲處理具有十分

高的除氣效果，熔體在超聲場中時間保持90

s時所

式中：p——未除氫處理的鑄錠密度6

-

cm-5；

測得的Ai-2/u合金鑄錠密度值和除氣率達到了最

Pa——經除氫處理的鑄錠密度6

-

cm—5；

pb——A

-2/u合金理論密度,2.

5J9

a

?

chT5。高值，其密度值為2.726

g

?

cm—5、除氣率為47%；

但當超聲處理時間達120

s時，由于熔體溫度的下

降，熔體黏著度增加，氣體逃逸更加困難，密度和除

Ai-2/u合金的密度以及除氣率與合金熔體置

于超聲中時間的相互關系曲線如圖4所示。從式

(1可知，以密度法表征除氣率主要影響因素為鑄

氣率開始降低。74Oo

0o0

22726o

虻俺4o

2o

O2.70680

20

40

60

80

超聲處理時間/s100

1200

20

40

60

80

100

120超聲處理時間/sb-除氣效率a-鑄錠密度圖4熔體在超聲場中保持時間與Ai-9/u合金鑄錠密度及除氣率關系2.4超聲處理細化晶粒及除氣效果的機理分析超聲波對于流體介質具有多種效應，常見的有

相互合并幾率提高，從而形成大氣泡而逸出。在超

聲作用下晶核在不斷運動和碰撞的過程中均勻生

空化作用、破碎作用、生核作用、過冷作用等，其中空

化作用對金屬熔煉影響較大。鋁合金熔體中常溶有

長，因此晶粒形態更為圓滑，尺寸也更加均勻一致,

從而有效提高鑄錠力學性能。過量的氫，當熔體冷卻凝固時過剩的氫氣在雜質處

析出形成氣孔，降低材料力學性能。當施加超聲場之后，在聲壓交替變化時熔體隨

熔體中過量的氫氣在超聲場空化作用下不斷析

出，從而使得鋁液凝固后鑄錠內氣孔含量極大減少,

因此密度增加，但當處理時間繼續增加，熔體在空氣

聲波不斷激蕩，即會在介質某一區域產生高壓或負

中放置時間過長熱量持續散失，熔體溫度下降黏著

度增加，氣體越來越難以逸出，并且可能再次吸附于

新產生的晶粒表面或聚集在晶界處形成氣孔，因此

壓的空化現象。負壓作用下形成空化氣泡,高壓作

用下空腔再次閉合?？栈瘹馀莸漠a生常于熔體中包

含的雜質處產生(尺寸不大于0.1

pm的AUO5顆

除氣效果有所降低。粒)，并依附于雜質表面。在高壓及負壓的作用下

熔體中的氫氣加速析出，通過對流和擴散遷移作用

3

結論(1將Ai-2/u鋁合金熔體置于超聲場中，在

一定時間內，超聲波作用對晶粒度的降低起到了十

分顯著的作用。2000

W超聲處理90

s時超聲的細

融入到空化氣泡中，氣泡在極短時間內迅速長大并

逸出熔體，雜質表面進而被鋁液填充繼而轉變為活

性的晶核，有效提高鋁合金形核率，細化晶粒。同

時，在超聲場聲流作用下微小氣泡隨機運動，小氣泡

化效果最佳。內部微觀結構呈圓潤等軸晶。

2020 年第

10

期陳杼鑫等:超聲處理對Al-0/u合金凝固組織及熔體除氣效果的影響-67

-(0)超聲場處理對晶粒形狀有著良好的約束作

用,在超聲場作用下晶粒尺寸及形狀趨于均勻一致,

晶粒均呈圓潤等軸晶形態。[7]付浩，周全.超聲處理對AZ71D-9Cv鎂合金凝固組織的影響

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：63

-66,2&[9]李曉謙，陳銘，趙世璉，等.功率超聲對7659鋁合金除氣凈化作

(3)對Al-0/u鋁合金熔體施加超聲處理可有

效減少其中氫氣含量，當使用功率2000

W、頻率20

用的試驗研究[J].機械工程學報，2510(13)：43

-47.[2]姜佳佳.AZ71鎂合金熔體除氫工藝及其對組織與性能的影響

[D].沈陽：東北大學，202.[6]劉景山，閻峰云，康靖，等.超聲振動對3399鋁合金組織及力學

kHe的超聲對熔體處理99

s時，效果最佳，鑄錠的密

度值達到0.

926

g

-

cm-9,除氣率達到67%。參考文獻：[]蔣會學.鋁合金鑄造復合工藝及理論研究[D].沈陽：東北大

學，2012.[2]李杰，陳偉慶.超聲波熔體處理對高碳鋼凝固組織和性能的影

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(責任編輯武紅林)屬學報,2700(S1)

：6

-2.-行業資訊?鋁涂層顯著提升鈦合金緊固件的性能鈦合金緊固件有著優秀的綜合性能，在航空器特別是當肖的先進大飛機制造中獲得了廣泛應用，用于緊固部件與連接裝

配中與鋁合金工件的接觸連接。不過，未經表面處理的鈦合金緊固件表層有鹿高的電位，與連接的鋁合金件有鹿大的電位

差，在潮濕大氣或海洋氣象會形成電偶，產生電池腐蝕，嚴重時會破壞結構，使其失效，造成事故。研究表明，如果在緊固件表面涂一層由酚醛樹脂、鋁粉、聚四氟乙烯(PTFE)、防腐蝕顏料組成的涂料，就不會形成電偶與

發生腐蝕了，涂層厚雅7~9

pjn,就可以了，國外有關標準規定的厚度為7~6

|±m。海鷹空天材料研究院落戶蘇州海鷹空天材料研究院(蘇州)有限責任公于2017年8月6日在蘇州市相城區正式揭牌成立，隸屬于中國航天科工集團有

限公司第三研究院。蘇州新研究院將以空天裝備對新一代材料的需求為牽引，以航天品牌巨大的影響力為后盾構建“

+4

+

N”發展格局，即打造一個開放式科技創新平臺——海鷹空天材料實驗室；重點發展樹脂基復合材料、金屬塑性成型、隔熱控溫

材料和先進陶瓷材料等四大核心業務板塊；積極探索石墨烯材料、納米材料、材料基因工程、生物醫藥材料等N個新興產業方

向，力爭用15

~24年時間把海鷹空天材料研究院建設成為國家航空航天材料研發生產基地，打造國家級先進

材料技術創新

中心、應用中心和成果轉化中心?！餐踝Ｌ霉└濉?/p>