超声处理对7050铝合金凝固组织晶粒细化影响

　　随着科学技术及铝材工业的发展， 对铝合金的组织要求越来越高，获得细小均匀的晶粒成为获取高性能铝材的一个关键因素。 超声已在众多领域得到了广泛应用，特别在材料领域铝合金制备过程中取得了实质性进步[1-4]。金属合金的宏观性能主要由其微观组织结构决定的，人们在长期的研究和实践中，尝试用各种方法来提高材料的性能，本质上都是从控制凝固组织结构入手，因此研究和控制金属材料的凝固组织已成为当代材料科学领域的热点问题之一[5-8]。

　　细小的等轴晶粒的凝固组织是获得优良的力学性能和加工性能的前提。对金属凝固组织的细化常用的方法有：给金属熔体中添加晶粒细化剂、各种物理搅拌方法、控制凝固的温度，以及振动、摆动等[9-12]。近20多年来，利用超声改善金属凝固组织的方法日益受到人们的关注。超声处理是指液态金属在超声场作用下进行凝固， 它是国内外一种新兴的超声加工技术[13-15]。但是，有关超声对金属凝固组织影响的研究尚处于起步阶段， 超声细化技术还不能完全应用于工业化，因此通过实验，研究超声对铝合金凝固组织的影响，分析超声功率对组织细化的规律，并进一步探讨超声对金属凝固组织细化作用机理。为超声细晶技术的广泛应用提供实验依据。

　　1实验材料、装置与方法

　　1.1实验材料

　　实验材料取自工业7050大铸锭，材料的化学成分如表1所示。

　　1.2实验装置

　　实验使用的超声设备包括：超声波发生器，具有五个功率档位(105、135、170、200和240W)，超声振动系统(由PZT压电陶瓷换能器，变幅杆、钛合金工具杆组成)， 电阻丝加热炉及配套的温度控制记录仪、热电偶、坩埚、位移控制操作台、Leica台式金相显微镜。 实验装置如图1所示，施振时温度通过热电偶测量获取，温度控制记录仪分析采集的数据。

　　1.3实验方法

　　将配置好的铝合金置于特制坩埚中并放入电阻加热炉进行熔炼，待其完全熔化后，进行充分搅拌，同时添加铝打渣剂打渣净化铝熔体。持续加热至850℃，移出坩埚，使铝熔体在炉外自然空冷。超声施振方式为铝熔体中心处顶部持续导入超声波，工具杆插入深度为30mm。为便于分析比较，每次超声波发生器输出工作频率为(19±0.5)kHz。

　　实验工况为：施振温度分别为690～660℃、710～660℃、760～660℃、760～710℃、800～710℃;施振功率分别为105、135、170、200和 240W。

　　将上述工况下试样沿样品中部横断面取样，经砂纸打磨、化学抛光、用混合酸腐蚀制成金相样品，在光学显微镜下观察其凝固组织，分析不同工况下功率超声对凝固组织的影响。为了表征超声波处理对凝固组织的细化效果，采用平均截面积法计算不同超声波功率处理下平均晶粒尺寸，平均晶粒尺寸的计算公式为：