超声处理对Al-2Cu合金凝固组织及熔体除气效果的影响

2024年2月4日发(作者：艰苦的意思)

-54

-轻金属2020年第1期-轻合金及其加工-超声处理对Al_2Cu合金

凝固组织及熔体除气效果的影响陈杼鑫3路林1，贾征72杜安娜3徐海鹏3王彤2(7沈阳大学

机械工程学院，辽宁

沈阳70444；2.东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室，辽宁沈阳7481)摘

要：本试验研究了超声处理时间对A-2Cu合金凝固过程中组织及熔体除气效果的影响。结果表明:采用功率为2000

W、

频率为22

kHa对A-2Cu合金熔体施加超声处理，可以获得良好的除气效果，使铸锭晶粒细化；当超声处理时间约为5

-时，晶

粒细化和除气效果最佳,铸锭断面几乎72%为等轴晶，铸锭密度以及除气率分别达到了

2.520

g

-

m-和6%

o

关键词：超声处理;Ai-2Cu合金;密度；除气率；空化效应中图分类号：TG

15.

2

文献标识码：A

文章编号：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

,

Lu

Liu1

,

Jia

ZUedg1^4,

Du

Anua1

,

Xu

Haipeda1

aud

Waua

Toxa2(0

CoUege

U

Mechanical

Engineering,

Shenyana

University,

Sheayaag

70444,

China

；2.

Key

Laloratoro

U

Electro—Proce

ef

Materiale

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Mtgey

U

Educatiou,

NorOieastero

Unwersity,

SSenyang

7081

,

Chinn)Abstrace:TUa

OCuence

of

ultrasouie

treatment

Uoa ox

tUa

structure and

melt deaassOa

effect

of

Ai —

2Cu alloy

durina

tUa

solikiOcatiou

process

wcs

stud­ied

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

tUe

grain

refiuement

anU deaassOa

effects

were

tUe best.

The

inaot

ctioa

wcs

aluost

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超声波因其对环境友好,越来越普遍地应用于

各行各业中口-2。在金属熔炼过程中，熔体加热时

13试验装置本试验采用的超声处理装置如图7所示,超声波

发生器的最大输出功率为2002

W,频率为22

kHz,,并搭

间较长，熔体内部溶解着大量的氢离子，冷却过程中

气体溶解度下降导致过量的氢气逸出，析出的氢气

配有机械变位装置以控制超声波探针位置与姿态，测

容易吸附于杂质或新形成的晶粒上，凝固后形成气

孔，晶粒尺寸也较大。超声波具有独特的能量传递

方式,对金属熔体施加超声场,熔体在作为超声传递

温仪器控制熔体温度，采用型号SG7.

5-17X业电阻

炉熔炼A_2Cu合金。介质的过程中受超声作用反复激荡，使熔体在凝固

过程中形成的晶粒在超声作用下相互碰撞破碎为细

超声波换能器变幅杆

超声波探头小晶粒，从而使得柱状晶转变为较细小的等轴

晶[4-5]o超声作用同时促进熔体内部气体逸出，凝

固后气孔的数量明显减少。超声作用铸锭的微观组

Al-

2Cu电阻保温丫控温仪织细化及力学性能的提高均有显著的作用4⑷o1

试验方法图1超声装置示意图基金项目：辽宁省自然科学基金(2276522294);辽宁省自然科学基金指导计划项目(2219

-

ZD

-2551)

；2219年沈阳大学大学生创新创业训练计

划项目(2277235212)；国家自然科学基金清年科学基金项目(5

741237)；辽宁省科学技术基金，博士启动基金(227-BS-083)

作者简介:陈杼鑫(1096

-),男，辽宁沈阳，硕士研究生，研究方向：铝合金成形工艺。通讯作者:贾征(1052

-),男，辽宁沈阳，讲师，博士后，主要研究方向:镁合金增材制造、镁合金成型、镁合金开发及复合材料制备。

收稿日期：2222-22-1

2020 年第

10

期陈杼鑫等:超声处理对Al-0/u合金凝固组织及熔体除气效果的影响-55

-1.3试验过程分别将99.9%的工业纯铝与纯铜经配料计算

放入井式电阻炉中，熔炼成Al-0/u合金。使用搅

拌器对熔体进行三次充分搅拌，浇铸成铸锭后切割

成小立方体作后续重熔使用。将试样分为四组放置

于坩埚中进行重新熔炼，重熔过程中当温度达到

720

C左右施加超声处理。利用2000

W超声仪器对熔体进行超声处理,

将已经开始震动的探头浸入液面下5

mm,分别进行

未施加超声和对熔体施加60

s、99

s、120

s超声处理

的四组试验。试验后将铸锭切割成10

mm

X

2

mm

X

14

mm

立方体试样后进行打磨、抛光、腐蚀以观察其宏观微

观组织状态，并利用阿基米德原理对试样密度进行

测试，并与Al-0/u合金的标准密度进行比较来确

定试样内部气孔体积。0

试验结果及分析2.1铸锭的宏观组织Al-0/u合金熔体放置在超声场中保持不同时

间后的铸锭宏观组织形貌如图2所示。由图2(a)

可见，熔体未经过超声处理的铸锭中心分布着多个

大气孔，晶粒尺寸较大；由图2(b)可见，熔体经过

60

s的超声处理时，凝固组织晶粒尺寸明显减小，但

肉眼可见原本在铸锭中心的大气泡变化为细小的气

泡且分散在整个铸锭之中；从这四组试验宏观组织

对比可见，熔体经超声处理90

s时，铸锭的晶粒度

达到最小,且铸锭内可见的气孔数量也最少,尺寸也

最细小，如图2(c)所示；140 s时由于温度下降，熔

体黏着度增加，超声处理时间过长使得凝固组织气

孔开始再次增多，如图2(d)所示。2.2微观组织为了更加深入地剖析超声对熔体凝固组织的影

响，对Al-0/u合金经不同时间超声处理的微观组

织进行分析，如图3所示。由图3可见，无超声处理

的铸锭存在较大气孔,凝固组织为随机分布的柱状

晶，且晶粒尺寸较大;而经过60

s超声场处理后，柱

状晶变短，晶粒尺寸减小，晶界更为圆滑，出现了更

多的树状枝晶与等轴晶,气孔数量有一定增加,在超

声处理60

s时,熔体内部过剩的氢气正在加速逸出

导致气孔数量有少量增加,这是由于超声处理使大

气泡被震碎,气孔尺寸有一定减小，如图3(b)所示；

当超声处理达到99

s时，树枝晶减少，等轴晶圆整度显著增加，晶粒尺寸大致趋于均匀一致，气孔数量

最少，如图3(c)所示；当超声处理达到120

s时，铸

锭凝固组织树枝晶间的气孔变大，晶界处偏析加重,

等轴晶存在再次增大趋势，如图3(d)所示。a-未施加超声处理 b-超声处理60sc-超声处理90s

d-超声处理120s图7熔体超声处理时间对Al-7/u合金铸锭宏观组织的影响c-

90sd-

120s图3

Al-7/u熔体在超声中保持

不同时间后铸锭微观晶相组织

-52

-2.3

Al-2Cu熔体除气结果轻金属2020年第1期锭密度值,因此铸锭密度和除气率的变化是一致的,

合金熔体除气效果及除气率常使用密度法进行

二者折线图形状一致。由图4可见，未施加超声处

表征，密度法的除气率n具体计算公式参见式

(1[5]：理时铸锭除气率以及密度低，其测量值仅为2.

6831

g

•

cm—5；当施加超声处理后,合金冷凝后密度值以

及除气率有着显著的增加，表明超声处理具有十分

高的除气效果，熔体在超声场中时间保持90

s时所

式中：p——未除氢处理的铸锭密度6

-

cm-5；

测得的Ai-2/u合金铸锭密度值和除气率达到了最

Pa——经除氢处理的铸锭密度6

-

cm—5；

pb——A

-2/u合金理论密度,2.

5J9

a

•

chT5。高值，其密度值为2.726

g

•

cm—5、除气率为47%；

但当超声处理时间达120

s时，由于熔体温度的下

降，熔体黏着度增加，气体逃逸更加困难，密度和除

Ai-2/u合金的密度以及除气率与合金熔体置

于超声中时间的相互关系曲线如图4所示。从式

(1可知，以密度法表征除气率主要影响因素为铸

气率开始降低。74Oo

0o0

22726o

虻俺4o

2o

O2.70680

20

40

60

80

超声处理时间/s100

1200

20

40

60

80

100

120超声处理时间/sb-除气效率a-铸锭密度图4熔体在超声场中保持时间与Ai-9/u合金铸锭密度及除气率关系2.4超声处理细化晶粒及除气效果的机理分析超声波对于流体介质具有多种效应，常见的有

相互合并几率提高，从而形成大气泡而逸出。在超

声作用下晶核在不断运动和碰撞的过程中均匀生

空化作用、破碎作用、生核作用、过冷作用等，其中空

化作用对金属熔炼影响较大。铝合金熔体中常溶有

长，因此晶粒形态更为圆滑，尺寸也更加均匀一致,

从而有效提高铸锭力学性能。过量的氢，当熔体冷却凝固时过剩的氢气在杂质处

析出形成气孔，降低材料力学性能。当施加超声场之后，在声压交替变化时熔体随

熔体中过量的氢气在超声场空化作用下不断析

出，从而使得铝液凝固后铸锭内气孔含量极大减少,

因此密度增加，但当处理时间继续增加，熔体在空气

声波不断激荡，即会在介质某一区域产生高压或负

中放置时间过长热量持续散失，熔体温度下降黏着

度增加，气体越来越难以逸出，并且可能再次吸附于

新产生的晶粒表面或聚集在晶界处形成气孔，因此

压的空化现象。负压作用下形成空化气泡,高压作

用下空腔再次闭合。空化气泡的产生常于熔体中包

含的杂质处产生(尺寸不大于0.1

pm的AUO5颗

除气效果有所降低。粒)，并依附于杂质表面。在高压及负压的作用下

熔体中的氢气加速析出，通过对流和扩散迁移作用

3

结论(1将Ai-2/u铝合金熔体置于超声场中，在

一定时间内，超声波作用对晶粒度的降低起到了十

分显著的作用。2000

W超声处理90

s时超声的细

融入到空化气泡中，气泡在极短时间内迅速长大并

逸出熔体，杂质表面进而被铝液填充继而转变为活

性的晶核，有效提高铝合金形核率，细化晶粒。同

时，在超声场声流作用下微小气泡随机运动，小气泡

化效果最佳。内部微观结构呈圆润等轴晶。

2020 年第

10

期陈杼鑫等:超声处理对Al-0/u合金凝固组织及熔体除气效果的影响-67

-(0)超声场处理对晶粒形状有着良好的约束作

用,在超声场作用下晶粒尺寸及形状趋于均匀一致,

晶粒均呈圆润等轴晶形态。[7]付浩，周全.超声处理对AZ71D-9Cv镁合金凝固组织的影响

[J].特种铸造及有色合金,202,33(2)

：23

-131.[3

]张康，张奎,李兴刚.超声波处理对镁合金铸态组织的影响[J].

材料导报,2009,23(3)

：63

-66,2&[9]李晓谦，陈铭，赵世琏，等.功率超声对7659铝合金除气净化作

(3)对Al-0/u铝合金熔体施加超声处理可有

效减少其中氢气含量，当使用功率2000

W、频率20

用的试验研究[J].机械工程学报，2510(13)：43

-47.[2]姜佳佳.AZ71镁合金熔体除氢工艺及其对组织与性能的影响

[D].沈阳：东北大学，202.[6]刘景山，阎峰云，康靖，等.超声振动对3399铝合金组织及力学

kHe的超声对熔体处理99

s时，效果最佳，铸锭的密

度值达到0.

926

g

-

cm-9,除气率达到67%。参考文献：[]蒋会学.铝合金铸造复合工艺及理论研究[D].沈阳：东北大

学，2012.[2]李杰，陈伟庆.超声波熔体处理对高碳钢凝固组织和性能的影

性能的影响[J].中国铸造装备与技术,2019,54

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X,

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Z,

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W,

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on

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AZ71

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usina

ulaasonic

araon

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Structural

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(责任编辑武红林)属学报,2700(S1)

：6

-2.-行业资讯•铝涂层显著提升钛合金紧固件的性能钛合金紧固件有着优秀的综合性能，在航空器特别是当肖的先进大飞机制造中获得了广泛应用，用于紧固部件与连接装

配中与铝合金工件的接触连接。不过，未经表面处理的钛合金紧固件表层有鹿高的电位，与连接的铝合金件有鹿大的电位

差，在潮湿大气或海洋气象会形成电偶，产生电池腐蚀，严重时会破坏结构，使其失效，造成事故。研究表明，如果在紧固件表面涂一层由酚醛树脂、铝粉、聚四氟乙烯(PTFE)、防腐蚀颜料组成的涂料，就不会形成电偶与

发生腐蚀了，涂层厚雅7~9

pjn,就可以了，国外有关标准规定的厚度为7~6

|±m。海鹰空天材料研究院落戶苏州海鹰空天材料研究院(苏州)有限责任公于2017年8月6日在苏州市相城区正式揭牌成立，隶属于中国航天科工集团有

限公司第三研究院。苏州新研究院将以空天装备对新一代材料的需求为牵引，以航天品牌巨大的影响力为后盾构建“

+4

+

N”发展格局，即打造一个开放式科技创新平台——海鹰空天材料实验室；重点发展树脂基复合材料、金属塑性成型、隔热控温

材料和先进陶瓷材料等四大核心业务板块；积极探索石墨烯材料、纳米材料、材料基因工程、生物医药材料等N个新兴产业方

向，力争用15

~24年时间把海鹰空天材料研究院建设成为国家航空航天材料研发生产基地，打造国家级先进

材料技术创新

中心、应用中心和成果转化中心。〔王祝堂供稿〕