超声功率对半连续铸造7050铝合金晶粒细化的影响

　　0 引言

　　由于超声波具有空化、声流等特殊效应,将熔融金属置于超声场中凝固,能够提高其形核率,使枝晶破碎,组织细化[1]。俄罗斯、美国、日本等国早在20世纪就开始研究超声的细晶技术[2-5]。国内学者[6-8]在铝合金常规铸造过程中引入超声场方面已经做了大量试验,研究表明超声波的空化效应可以改善铸件的微观组织,提高其力学性能。国内常规的半连续铸造由于工艺方面的原因,铸锭的内部凝固组织不均匀,残余铸造应力较大,在铸锭的表面及内部经常会产生裂纹等缺陷,尤其在铸造高合金化铝合金大铸锭时更为明显。而国内对在半连续铸造过程中引入超声场的研究报道较少。为了减少大铸锭凝固时的热裂倾向、改善其凝固组织,减少偏析、改变二次相的形成及分布,作者在7050铝合金半连续铸造过程中引入超声场,探讨超声功率对铸锭显微组织的影响。

　　1 试样制备与试验方法

　　试验用7050铝合金是用纯度99.9%的工业纯铝与铜、镁、锌等中间合金铸锭熔炼而成,具体化学成分(质量分数/%)为6.0Zn,2.15Cu,2.3Mg,0110Fe,0.04Cr,0.10Mn,0.03Si,0.11Zr,0.03Ti,余Al。通过恒流量热法[9]标定试验超声波施振的实际输出功率分别为170,200和240W。

　　先将工业纯铝在熔化炉中熔化至700~720°C,然后逐一添加中间合金,配置成7050铝合金。试验装置见图1,采用最大输出功率为1000W、频率为(19?1) kHz的超声波发生器,压电陶瓷(PZT)换能器,阶梯形变幅杆,钛合金工具杆,工作端面直径为50mm。将热电偶置于距结晶器边部75mm处,测试熔体温度变化。铸锭直径300mm,设置铸锭长度为2000 mm。设置结晶器内的熔体初始深度为150mm,超声处理方式采用顶部导入法,超声波变幅杆插入熔体深度为20mm。结晶器内熔体温度为680°C,铸造速度为0.8mm.s^-1。把铸锭按170,200和240W超声处理和无超声处理段切取4个厚度为20mm、直径为300mm的试样,再从各个试样横截面的心部和边部分别切取2个金相试样进行打磨、抛光、腐蚀,用Leica型台式光学显微镜观察显微组织。

　　2 试验结果与讨论

　　2.1 铸锭的宏观组织

　　由图2可见,未经超声处理铸锭的凝固组织多为发达的树枝晶、柱状晶,晶粒尺寸粗大,组织成块状、片状;经过超声处理后试样的组织得到了明显的细化,且分布较前者更为均匀。

　　2.2 铸锭的显微组织

　　由图3可见,未经超声处理铸锭的晶粒比较粗大,晶粒成块状、鱼骨状;而经170,200,240W超声处理的铸锭显微组织都有不同程度的细化,其中超声功率为200,240W的细化效果最为显著。

　　2.3 晶粒细化机理