功率超声对纯铝的细晶机制及作用区域研究

　　细化凝固组织、提高铸坯的品质、保证二次加工的顺利进行一直都是冶金工作者致力追求的目标。传统晶粒细化方法是在熔体中添加细化剂增加结晶核心[1,2],近年来,世界各国纷纷展开了对引入外加物理场调控金属结晶过程、细化凝固组织技术的研究[3~12],如超声处理就是其中重要的一种方法。由于超声波在金属熔体中传播时会引发空化、声流等诸多特殊效应,能够显著细化晶粒,提高材料性能。然而,究竟空化和声流哪种效应对组织细化更为重要,尚未见报道,因而本课题主要研究在纯铝凝固的不同阶段施加超声波,考察超声场下凝固组织的变化规律,探讨两种作用机制对组织的不同细化程度。

　　1 试验过程

　　1.1 试验设备及装置

　　超声波发生器为他激型,输出功率为105、135、170、200、240W,输出频率为(19.0±0.5)、(20.0±0.5)、(21.0±015) kHz。试验装置见图1,其中,超声振动系统采用PZT压电陶瓷换能器。其他辅助设备有CSS-441000电子万能试验机、Leica台式金相显微镜。

　　1.2 试验材料

　　试验材料为工业纯铝,材料的合金成分见表1。

　　1.3 试验方案

　　将盛有铝块的石墨坩埚放入电阻加热炉进行熔炼,待其完全熔化后,进行充分搅拌,保温一段时间后添加铝打渣剂打渣净化铝熔体。持续加热至900e,合上炉盖,切断加热电源,使铝熔体近似以恒定冷却速度降温,当温度记录仪显示的铝熔液温度降至满足试验条件时,对熔体进行各种超声处理。由于高温铝熔体接触冷工具杆时会使得部分铝液粘附在杆上,负载阻抗剧增导致超声振动系统过载失谐,无法工作[13]。因此在施振前,预先启动超声振动系统,对传振工具杆进行预热处理。超声波从铝熔体中心处顶部持续导入。每次试验固定超声波发生器输出功率为170W,工作频率为(19.0±0.5)kHz,工具杆浸入熔体深度(施振深度)为25mm。试验共获得8个铸锭试样,铸锭尺寸为Φ140mmx150mm,为便于分析比较,对各试验条件相对应的铸锭试样进行了标记,见表2。

　　将试样从中间施振处对称切开,取其中的1/4断面进行研磨、化学抛光后用强酸对观察面进行浸蚀处理。试样冲洗擦干后,取靠近工具杆端面即超声波作用最强的区域观察凝固组织,其余部分做成标准试样,进行拉伸试验,检验力学性能。

　　2 结果分析与讨论

　　2.1 铸锭凝固组织及力学性能分析

　　由图2可知,常规铸造未经超声处理的铝熔体晶粒逆着热流的方向呈树枝状生长,因此所获得的铸件凝固组织宏观上普遍呈现为块状、片状,树枝晶非常发达。经过超声波处理的铸锭,其组织明显得到细化,晶粒分布均匀。图3为不同试验条件下获得的铸锭微观组织。未施加超声时,晶粒十分粗大(见图3a)。在高温区间(800~750°C)施振时,发现粗大的枝晶已得到一定程度的细化,晶粒尺寸明显缩小,但此时组织仍为连成一体的枝晶网胞(见图3b)。750~700°C施振时,晶粒进一步细化,组织中出现了大量的等轴晶(见图3c);当超声处理熔体温度为700~660°C时,获得的晶粒最小,平均尺寸约为135μm(见图3d)。在680~660e时,晶粒尺寸又略有增大(见图3e)。而在660~630°C时,虽未能获得等轴晶组织,但由图3f可知,此时工具杆端面附近的晶粒受到超声的振动与冲击,枝晶明显被打断折碎,相比其他工况,组织仍得到有效细化,平均晶粒尺寸约为143μm。如果增大超声处理的温度区间,分别从800~660°C(见图3g)和750~660e(见图3h)施振时,铸锭凝固组织均表现为细小、均匀的等轴晶组织,超声细化效果非常理想,尤其以800~660°C施振时,超声细化作用最佳,平均晶粒尺寸缩小至77μm。