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高品質(zhì)的鋁合金材料對鑄錠組織要求很高。因此，在鋁合金熔煉或澆注時(shí)，通常采用先進(jìn)鑄造技術(shù)以及合理的工藝參數(shù)鑄造出具有細(xì)小均勻等軸晶組織的鑄錠（或鑄件）。合金的宏觀性能主要由其微觀組織結(jié)構(gòu)決定。就研究采用的各種提高材料性能的方法，本質(zhì)上都是從控制凝固組織結(jié)構(gòu)人手，因此研究和控制金屬材料的凝固組織已成為當(dāng)代材料科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一。

    對金屬凝固組織細(xì)化的常用方法有：添加晶粒細(xì)化劑、各種物理攪拌方法、控制凝固溫度，以及振動(dòng)、擺動(dòng)等。近年來，利用超聲或添加細(xì)化劑改善金屬凝固組織的方法日益受到關(guān)注。添加晶粒細(xì)化劑，是通過異質(zhì)形核作用使晶粒細(xì)化。而關(guān)于超聲處理的研究大多是針對超聲作用金屬熔體直接凝固成形，對于超聲預(yù)處理金屬熔體后再澆注凝固成形的研究則較少涉及。因此本課題參考國內(nèi)某軍工廠生產(chǎn)鋁合金殼體鑄件的工藝條件，通過模擬試驗(yàn)研究不同超聲預(yù)處理鋁合金熔體對澆注件凝固組織的影響，主要分析超聲處理熔體時(shí)間、鋁液靜置時(shí)間對凝固組織的影響，并進(jìn)一步探討超聲對鋁合金凝固組織的作用機(jī)理。

1  試驗(yàn)材料、裝置和方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用7085鋁合金，材料的化學(xué)成分見表1。

1.2試驗(yàn)裝置

  試驗(yàn)超聲設(shè)備包括：超聲波發(fā)生器，超聲振動(dòng)系統(tǒng)（由壓電陶瓷換能器、變幅桿、鈦合金工具桿組成），電阻絲加熱爐及配套的溫度控制記錄儀，熱電偶，坩堝，位移控制操作臺，自動(dòng)研磨機(jī)，Leica臺式金相顯微鏡。試驗(yàn)裝置見圖1。

1.3試驗(yàn)方法

    將配置好的鋁合金置于特制坩堝中并放人電阻爐熔煉，完全熔化后，充分?jǐn)嚢瑁�同時(shí)添加打渣劑凈化鋁熔體，然后保溫靜置。在恒溫條件下，添加細(xì)化劑進(jìn)行孕育處理（0.2%的A1-5Ti-1C），施加超聲處理，添加細(xì)化劑與施加超聲聯(lián)合處理等工藝對坩堝中的鋁液進(jìn)行預(yù)處理，處理完畢后，澆注到砂型中（砂型內(nèi)徑為聲50mm，拔模斜度為2o）。為了考察超聲處理時(shí)間t p與超聲處理后的鋁液靜置時(shí)間￡，對鑄件凝固組織的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)了2組試驗(yàn)，第1組采用不同超聲處理時(shí)間t p。具體試驗(yàn)條件為：①普通澆注（未加任何處理），澆注溫度為680℃，鑄錠編號為1號；②在680℃對鋁液進(jìn)行近恒溫超聲處理，超聲功率為200 W，在10、20、30、40min超聲處理后澆注，試樣編號分別為2、3、4、5號；③在710℃鋁液中添加細(xì)化劑，然后澆注6號試樣，降溫至680℃時(shí)對鋁液進(jìn)行10、20、30、40 min起聲處理后澆注，試樣編號為7、8、9、10號。

    以第1組超聲處理為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)第2組試驗(yàn)，研究超聲預(yù)處理后鋁液停留靜置時(shí)間￡。對鋁合金凝固組織的影響。試驗(yàn)條件為：①在680℃對鋁液進(jìn)行近恒溫超聲處理，當(dāng)t s分別為0、4、6、8、10、15 min時(shí)澆注，鑄件編號分別為以，、以α1、α2、α3、a4、α5、α6；②在710℃鋁液中添加細(xì)化劑進(jìn)行孕育處理，降至680℃時(shí)超聲處理，在t s，為O、4、6、8、10、15 min時(shí)澆注，獲試樣編號為b1、b2、b3、b4、b5、b6。

    將不同試樣沿中部橫斷面取樣，經(jīng)砂紙打磨、機(jī)械拋光，用Keller試劑制成金相試樣，在光學(xué)顯微鏡下觀察其凝固組織，分析不同工況下凝固組織的細(xì)化效果。

2  試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1不同超聲條件對合金組織的影響

    圖2是不同工藝參數(shù)下所獲得的鑄錠顯微組織�？梢园l(fā)現(xiàn)，未加超聲處理時(shí)鑄錠凝固組織為樹枝晶并且非常發(fā)達(dá)，連成一體，呈現(xiàn)為塊狀、片狀、骨骼狀。添加細(xì)化劑后，組織晶粒明顯細(xì)化，但和普通澆注情況一樣存在大量的氣孔。超聲處理后其顯微組織均有明顯細(xì)化且晶粒分布較為均勻，隨著超聲處理時(shí)間的增加，晶粒細(xì)化明顯。但當(dāng)超聲處理時(shí)間增加到一定程度后凝固組織細(xì)化程度不再增強(qiáng)。從圖2可以看出，超聲處理時(shí)間大于30 min時(shí)，晶粒細(xì)化達(dá)到最佳，見圖2i。

    超聲處理時(shí)間為30 min時(shí)，鋁合金細(xì)化效果最好，為此第二組是在超聲處理30 min后的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。圖3為在超聲處理30 min后，靜置不同時(shí)間所獲得的鑄錠顯微組織�？梢园l(fā)現(xiàn)，超聲預(yù)處理后，鋁液靜置時(shí)間的延長會(huì)使鑄錠晶粒呈現(xiàn)長大的趨勢，但在6 min內(nèi)，這種長大趨勢不明顯；而靜置時(shí)間超過8 min時(shí)，超聲細(xì)化效果基本消失。

2.2不同超聲條件對合金晶粒的細(xì)化機(jī)制

    在超聲處理時(shí)間較短時(shí)，功率超聲對凝固組織晶粒細(xì)化程度不大，但隨超聲處理時(shí)間延長，晶粒細(xì)化程度越高，細(xì)化越均勻。達(dá)到一定時(shí)間后，晶粒細(xì)化穩(wěn)定。為了表征超聲波處理對凝固組織的細(xì)化效果，采用平均截面積法計(jì)算不同參數(shù)處理下的平均晶粒尺寸。平均晶粒尺寸的計(jì)算公式為：

式中，r為平均晶粒半徑；R為視場半徑；L為實(shí)際標(biāo)尺長度；K為尺讀數(shù)；n為半徑為R的圓內(nèi)晶粒個(gè)數(shù)。不同條件超聲場下凝固組織的平均晶粒尺寸見表2。

    在超聲處理最佳時(shí)間后，靜置時(shí)間較小時(shí)，晶粒長大趨勢不明顯，但隨靜置時(shí)間的延長，晶粒細(xì)化程度越低，到達(dá)一定時(shí)間后，超聲細(xì)化效果消失。不同保溫時(shí)間下凝固組織的平均晶粒尺寸見表3。

    從表2和表3可以看出，超聲處理時(shí)間為30 min時(shí)晶粒細(xì)化效果最佳，靜置8 min后超聲細(xì)化效果基本消失。

2.3試驗(yàn)結(jié)果分析

    鋁熔體凝固過程中施加超聲振動(dòng)時(shí)，由于超聲波交互作用，使鋁熔體產(chǎn)生震蕩，從而對金屬凝固過程產(chǎn)生影響。同時(shí)聲流效應(yīng)增大了金屬熔體凝固過程宏觀上的流動(dòng)攪拌以及空化效應(yīng)增加了熔體的局部過冷、過熱和高壓交錯(cuò)等復(fù)雜物理狀態(tài)的交替轉(zhuǎn)換，改變了金屬凝固過程的物理場，影響了金屬的凝固形態(tài)，使熔體整體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對熔體晶核形核形式、形核的生長方式產(chǎn)生巨大的影響，并且鋁合金熔體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)隨超聲處理時(shí)間的延長而增加，從而起到顯著的細(xì)化作用。

    將超聲引入到鋁熔體中，在聲波的正負(fù)相交替下，會(huì)使鋁熔體中已有的微小氣泡核（空化核）不斷膨脹或壓縮，形成微小空腔�？涨辉诼晥龅倪B續(xù)震蕩下，逐漸長大形成氣泡，并最終在超聲諧振作用下破裂�？栈�泡破裂時(shí)，可以瞬間產(chǎn)生巨大的沖擊力和溫度梯度，引發(fā)更大規(guī)模的氣泡破裂，由此而產(chǎn)生的如微射流、沖擊波等特殊反應(yīng)，將直接或間接的作用和改變金屬熔體的凝固條件和凝固過程。與此同時(shí)，在微小氣泡或空腔的逐漸膨脹過程中，會(huì)吸附熔體中的氣體或蒸氣，對熔體產(chǎn)生除氣凈化作用。

3結(jié)  論

    (l)在鋁熔體中施加超聲波，對合金凝固組織具有細(xì)化作用。隨著處理時(shí)間的延長，晶粒細(xì)化效果越好，但大于30 min后，晶粒細(xì)化效果不再明顯。在鋁熔體中添加細(xì)化劑孕育后再施加超聲，其晶粒細(xì)化規(guī)律與未添加細(xì)化劑一致，且總體細(xì)化效果比未添加細(xì)化劑要好。

(2)超聲預(yù)處理后，鋁熔體靜置時(shí)間越長，合金晶粒越大，靜置時(shí)間大于8 min后的超聲細(xì)晶效果基本消失。

4、摘要

在680℃恒溫條件下，分別采用施加超聲磁場、細(xì)化劑或兩種方式的組合對坩堝中的7085鋁熔體進(jìn)行預(yù)處理并進(jìn)行澆注，分析不同工藝參數(shù)對鑄錠組織的細(xì)化規(guī)律。結(jié)果表明，延長超聲處理時(shí)間能增強(qiáng)鑄錠組織的細(xì)化效果，當(dāng)超聲處理時(shí)間達(dá)到30 min時(shí)，鑄錠晶粒細(xì)化到最佳狀態(tài)；超聲施振結(jié)束后，在680℃恒溫條件下，鋁液靜置時(shí)間的延長會(huì)使鑄錠晶粒呈現(xiàn)長大的趨勢，靜置時(shí)間大于8 min后的超聲細(xì)晶效果基本消失。