孟憲林

（沈陽遠大裝備科技有限公司，遼寧 沈陽 110027）

鋁合金晶粒的大小直接影響其力學性能，細晶強化可以提高鋁合金的力學性能和改善鋁合金變形的均勻性[1]。

鋁合金細晶強化的方法有技術主要有熔體過熱法、變質(zhì)處理法、合金元素添加法和熔體攪拌法等。超聲（Ultrasonic）細化屬于合金熔體攪拌法的一種方式，其原理是利用超聲場在熔體中產(chǎn)生的聲空化和聲流效應達到除氣和細化組織的目的[2，3]。

合金熔體在凝固過程中進行超聲處理會使晶粒變細，改變其中一些物理機械性質(zhì)，如延伸率，強度和變形特性等等。

1 實驗設備及方法

1.1 試驗合金

以航空航天領域常用的7075 鋁合金為研究對象，分別研究了單純的重力鑄造（無超聲）和超聲鑄造的鑄棒，通過對金相和力學性能的檢測，定性研究超聲對7075 鋁合金鑄棒的影響，具體試驗條件如表1 所示。

表1 試驗條件

1.2 試驗設備

試驗設備如下圖1 所示，采用井式坩堝爐將鋁合金原料加熱至熔融狀態(tài)，采用沈陽遠大裝備科技有限公司自主研發(fā)的超聲輔助鑄造設備，將超聲振動引入到熔融鋁合金熔體當中。在鑄造時，超聲波通過工具頭引入到鋁合金熔體中，此次試驗分別針對兩種合金，在不同溫度，進行超聲輔助除氣和細化晶粒處理，對比鋁合金試樣在不同試驗條件下的組織和機械性能。

圖1 實驗設備

超聲波輔助鑄造設備主要由超聲波發(fā)生器（超聲電源）、超聲波換能器、變幅桿、工具頭、不銹鋼坩堝及電阻爐等組成。

超聲裝置的功率為3kW，工作主頻率為20kHz，并且具有連續(xù)可調(diào)節(jié)、頻率可跟蹤的特點，用于實驗過程中對熔體的超聲處理。

2 實驗結果與分析

實驗樣品用水磨金相砂紙打磨至鏡面，表面粗糙度約為Ra0.4，使用硝酸酒精溶液對合金表面進行腐蝕，以觀察其金相組織，使用蔡司熱場Gemini SEM 300 掃描電鏡觀測晶相尺寸及微觀結構成分分析。

圖2 蔡司Gemini SEM 300 掃描電子顯微鏡

2.1 金相分析

圖3 未經(jīng)處理的7075 鋁合金金相形貌

由圖3 可以看出，7075 鋁合金在未經(jīng)超聲處理處理條件下，最大晶粒尺寸約180μm，平均晶粒尺寸約為100-120μm，最小晶粒尺寸為30μm。從能譜分析可以看出，合金元素Mg、Cu 和Zn在晶界處發(fā)生一定程度的富集，但第二相組織尺寸較小。

圖4 7075 鋁合金在680℃引入超聲處理后的鑄態(tài)組織形貌

由圖4 可以看出，7075 鋁合金在680℃下，經(jīng)過超聲處理，最大晶粒尺寸約60μm，平均晶粒尺寸約為30μm，最小晶粒尺寸為10μm。從能譜分析可以看出，合金元素Mg、Cu 和Zn 在晶界處發(fā)生明顯富集，且形成了粗大的第二相組織。

圖5 7075 鋁合金在700℃下引入超聲處理的鑄態(tài)組織形貌

由圖5 可以看出，7075 鋁合金在700℃下，經(jīng)過超聲處理，最大晶粒尺寸約60μm，平均晶粒尺寸約為30μm，最小晶粒尺寸為10μm。從能譜分析可以看出，合金元素Mg、Cu 和Zn 在晶界處發(fā)生明顯富集，且形成了粗大的第二相組織。

2.2 力學性能分析

圖6 拉伸試樣圖紙

鋁合金鑄錠根據(jù)國標要求，加工成如圖6 所示試樣，進行力學拉伸試驗，將相同鑄造條件鑄錠分為鑄態(tài)和熱處理態(tài)進行對比分析，均質(zhì)化時效熱處理制度為450℃×4h+140℃×34h，所得力學性能對比如下圖7 所示。

圖7 不同條件下7075 鋁合金力學性能

（NC-未進行超聲處理 Y6-在680℃條件下進行超聲處理 Y7-在700℃條件下進行超聲處理 TS-抗拉強度 YS-屈服強度 TS2-未經(jīng)熱處理試樣的抗拉強度 YS2-未經(jīng)熱處理試樣的屈服強度）

對比圖7 中力學性能可以看出，在相同熱處理狀態(tài)下，經(jīng)超聲處理的鋁合金性能明顯優(yōu)于未熱處理鋁合金，性能提升效果可以達到60%左右；熱處理過程可以繼承超聲波處理對鋁合金性能的提升效果，而且，超聲波處理對熱處理過程有良性影響，即可以提高熱處理過程對材料性能提升的幅度。

圖8 140℃條件下時效時間對試樣硬度的影響

圖8 顯示了試驗樣件的硬度在140℃條件下進行處理，時效時間對試樣硬度的影響，試驗結果表明，試樣硬度最大值出現(xiàn)在17 小時，并且不同試驗條件的樣件獲得最大硬度值的時效時間相同，并且通過對比可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過超聲處理的樣品在所有時間都具有更高的硬度。

2.3 理論分析

將大功率超聲設備輸出的超聲振動引入到鋁合金熔體過程當中，熔體內(nèi)部產(chǎn)生大量的空化泡，空化泡迅速發(fā)生崩潰，產(chǎn)生高能沖擊波，將結晶長大的晶粒打碎，抑制了晶粒的長大，被破碎的晶體結構在聲流的攪拌作用下，彌散地分布在熔體里，提高了形核率，所以凝固后的基體晶粒變成細小、均勻的等軸晶。超聲波的攪拌作用，可以明顯提高溫度和化學成分的均勻性，抑制柱狀晶的產(chǎn)生，減少偏析現(xiàn)象。由于超聲波的晶粒細化作用，晶粒的數(shù)量迅速增加，從而使材料內(nèi)部晶界數(shù)量顯著增加，晶界數(shù)量的增加阻止了位錯運動的產(chǎn)生，提升了材料的塑性變形抗力，即增加了材料的硬度。

3 結論

（1）經(jīng)過超聲處理后的7075 鋁合金有效的促進了其晶粒細化程度，抑制了第二相MgZn2在晶粒內(nèi)的析出，并促進其在晶界處的均勻分布。

（2）7075 鋁合金經(jīng)過超聲處理后，硬度值和力學性能均得到了明顯的提高，并且這種增幅可以伴隨熱處理工藝而被保留，使材料性能得到更大幅度的提升。

（3）超聲波處理所產(chǎn)生的空化效應、破碎效應和聲流攪拌效應，是促進合金晶粒細化和第二相析出的主要原因。