黄笑梅，程和法，李拥军

（合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009）

轻合金，特别是铝、镁合金及其复合材料的半固态成形技术被认为是21世纪最有前途的近净成形技术。经过30多年的发展，半固态成形技术经历了从流变成形到触变成形再到流变成形的发展历程。半固态半固态坯料的制备是金属材料半固态加工过程中的关键技术，目前常用的方法有机械搅拌法、电磁搅拌法、应变诱导熔体激活法、液相线铸造法、超声波搅拌法等［1-3］。利用超声波直接导入熔体进行搅拌是一种新型的半固态坯料制备方法，具有很多突出的优点，如：超声波搅拌可以一直施加在金属熔体中，直至金属熔体完全凝固；超声波搅拌在金属熔体中产生的扰动可以破碎枝晶，细化晶粒，清除熔体中的气体和夹杂；另外，这种方法还具有设备和工艺简单、易于实施的特点［4-6］。有关超声波直接导入熔体制备半固态坯料的方法尚处于探索阶段，超声波搅拌对不同合金的作用机制以及影响因素还有待进一步深入研究。本文针对Al-5%Cu合金，从超声波导入时熔体的温度、超声波搅拌时间和超声波的输出功率三个方面考察了超声波搅拌对Al-5%Cu合金半固态坯料组织形貌的影响规律［9］。

1 实验方法

实验所用合金为Al-5%Cu合金，在井式电阻坩埚炉中配制而成，所用原材料为纯度为99.95%的工业用纯铝和纯铜。超声波搅拌装置主要由超声波发生器、超声波换能器、变幅杆、导入杆组成。超声波发生器把220V/50kHz的市电变成20kHz，其输出功率连续可变，最大值1500W；换能器将高频率的电能转换为搅拌的机械能［2］。

将配置好的铝铜合金放入φ60mm×80mm的石墨坩埚中加热融化，达到预定温度后保温10min，把预热到600℃的超声波导杆插入金属熔体液面以下20mm的位置进行超声波搅拌处理。

实验分三组进行：

1）超声波输出功率控制为1200W，分别在合金熔体为610℃、630℃、650℃、660℃时导入超声波进行搅拌，搅拌时间均控制为40s；

2）超声波搅拌导入时合金熔体的温度均控制在660℃，分别在150W、300W、600W和1200W的不同输出功率下对熔体导入超声波进行搅拌，搅拌时间均控制为40s；

3）超声波输出功率均控制为1200W、超声波搅拌导入时合金熔体的温度均控制在660℃，搅拌时间分别为 10s、20s、60s、80s。

对于以上三组实验所得到的铝铜合金试样，从中间切开，在相同位置取金相试样，分别磨平、抛光，然后用0.5%的氢氟酸水溶液腐蚀，在金相显微镜下观察和分析不同条件下获得试样的微观组织。

2 实验结果与分析

2.1 超声波导入时熔体的温度对合金组织的影响

图1为超声波搅拌在不同导入温度下Al-5%Cu合金半固态坯料的微观组织，图中浅色区域为初生α-Al，深色区域为Al-Cu共晶组织。从图1中可以清楚看到铸态合金中常见的发达树枝晶并不存在，α-Al形态较圆整。如图1 a）所示，当中超声波导入温度较低时（610℃），所得试样的微观组织中，初生α-Al的形状不规则、尺寸粗大，且α-Al初晶大小不均匀。其原因可能是超声波搅拌导入时熔体温度过低，发达的一次枝晶甚至二次枝晶已经长成，超声波所产生的扰动只能够对已经长成的枝晶起到根部熔断和破碎的作用，对于晶粒尺寸较大的一次枝晶无法进行有效的细化。在图1 b）～图1d）中可以看到，随着超声波搅拌导入时熔体温度的升高，初生α-Al晶体形貌也逐渐趋于圆整，在尺寸上的差异逐渐减小。说明在熔体温度相对较高时，即枝晶长大的初期导入超声波搅拌对初生α-Al形貌能够产生重要影响，可以生成细小球状的初生相。另外，比较图1a～图1d，可以发现超声波对初生α-Al的量也有影响，随着导入时熔体温度的升高，初生α-Al的量也有所增加。

为了更加准确地表示超声波搅拌导入温度对合金微观组织的影响，采用圆整度来衡量初生α-Al形态的变化，即粒子的最大尺寸与最小尺寸之比。图2所示为各温度下导入超声波所得球状初生晶粒的平均圆整度的值。在熔体温度为610℃时导入超声波，初生α-Al晶粒的圆整度较差，之后随着导入时熔体温度的升高，晶粒圆整度逐渐得以改善，超声波在熔体660℃时导入初生晶粒圆整度最好。

图1 超声波搅拌导入温度对合金微观组织的影响

图2 Al-5%Cu合金不同超声波导入温度下初生α-Al晶粒的圆整度

2.2 超声波搅拌时间对合金组织的影响

图3 超声波搅拌时间对合金微观组织的影响

图3显示了超声波搅拌时间对合金显微组织的影响。当超声波搅拌持续时间为10s时，如图3 a）所示，初生α-Al枝晶粗大且有二次晶和三次晶产生，可见超声波搅拌对初生相没有产生显著的影响。当搅拌时间为20s时，如图3 b）所示，初生相中虽然出现了一些较圆整的细小晶粒，但总体看粗大枝晶依然存在。当搅拌时间延长到60s以上时，如图3c)、图3d)初生相没有生成枝状晶，而是呈细小较均匀的球状，其圆整度较好且晶粒平均尺寸也明显小于图2a)和图3b)中的初生晶粒。由此可见超声波搅拌持续时间的长短对合金半固态坯料的微观组织形貌有重要的影响。但是当搅拌时间太长的时候，由于合金已经趋于凝固，超声波所产生的扰动就不能起到作用。所以搅拌时间延长到一定程度，晶粒细化效果就不是很明显了，如图3c)、图3d)显示，初生相形貌差异不大。

2.3 超声波搅拌的输出功率对合金组织的影响

图4为不同输出功率的超声波搅拌下凝固合金的微观组织。当超声波功率较低，为150W和300W时，其搅拌搅拌作用对初生α-Al形态的影响较小，如图 4a）和图4b）中所示，初生 α-Al以粗大枝晶以及蔷薇状存在，枝晶之间还夹杂一些尺寸较小的晶粒，圆整度较差。当超声波的功率增大到600W时，如图4c）所示，初生相基本以蔷薇状存在，其尺寸较大，但其间夹杂的细小晶粒圆整度较好。当超声波功率增加到1200W时，显著改变了初生α-Al形态，如图4d）所示，合金凝固过程中没有明显的枝晶存在，初生相形貌为近似球形，圆整度较好且晶粒尺寸较小，为较理想的半固态坯料组织。图4a）和图4b）中没有产生方向性很强的一次枝晶说明了超声波搅拌对合金的凝固起到了一定作用，但是其初生相形貌又显示了超声波搅拌对合金初生晶粒没有起到有效的细化作用；随着超声波功率的增大，初生相才逐渐趋于细小圆整，如图4c）和图4d）。由此证明了超声波的功率的增大有利于合金生成细小球化的初生晶粒。

3 讨 论

图4 超声波搅拌的输出功率对合金微观组织的影响

超声波对合金熔体的作用主要是由空化和声流效应所产生的。超声波处理过程中会形成大量的空化泡，空化泡在超过一定阈值的声压下发生崩溃并产生冲击波［7-9］。这样在声空化的作用下，已结晶长大的晶粒被急剧的冲击波打碎，抑制了晶粒的长大，使晶粒得到了细化，晶体也得到了均匀弥散。超声波的声流效应是当超声波在熔体中传播时，由于声波与液体中的黏性力的交互作用，有限振幅衰减使液体内从声源处开始形成一定的声压梯度，而导致液体流动［14］。在空化和声流效应所产生的扰动作用下金属液的温度场均匀化，液体整体温度提高，有利于形成更多的空化泡，促进超声波对金属熔体的扰动效果。但是超声波的空化和声流作用是只能在液体或熔体中出现的现象，所以在一定温度范围内，超声波搅拌导入时熔体温度越高，金属结晶时间就越长，空化和声流所产生的对金属熔体的扰动作用的时间也就越长。当熔体温度过低时，空化和声流所起作用不能有效的发挥出来，初生α-Al也不能被有效均匀细化，有的仍会呈较大块状（如图1 a）。超声波导入金属熔体后会被熔体吸收转变成热能，产生热效应。超声作用时间越长，超声波被熔体吸收就越多，热效应也就越大。因此超声波施加时间的延长能够延缓金属液的凝固过程，使凝固区域变宽［15］。从这个角度看超声波搅拌的持续时间的延长对组织的细化有利。空化泡的核的气泡临界半径与声压存在以下关系［16］：

式中，Rmin为一定声压条件下能产生声空化的最小气泡半径，σ为熔液的表面张力，Pm为声压幅值，P0为静压力。 σ、P0都可视为常数，从公式（1）可以看到Pm越大Rmin越小。即声压越大可以产生空化的临界气泡半径就越小，就越容易产生更多的空化泡；反之，声压越小，空化效应的产生就越困难。声压的大小与超声波的功率由关，功率越大声压越大。所以超声波的输出功率越大，对凝固中的晶粒所产生的冲击和破碎越大，越有利于形成细小球化的初生α-Al晶粒。

4 结 论

从实验结果和分析可见，超声波导入时熔体的温度、超声波搅拌时间和超声波输出功率这三个因素的变化都会对合金组织形态产生重要影响。

1）在Al-5%Cu合金熔体处于610℃～660℃之间导入超声波搅拌时，随着熔体开始温度的升高，合金凝固组织中初生相逐渐趋于细小的球状颗粒，其圆整度得以提高。

2）在Al-5%Cu合金熔体温度为660℃时，导入超声波搅拌，随着搅拌时间的增加，合金初生相形貌由枝晶状逐渐演变为细小的球状颗粒，搅拌时间延长到60s后，初生相形貌不再发生显著变化。

3）在不同超声波输出功率下对Al-5%Cu合金熔体进行搅拌时，随着超声波输出功率的增大，合金初生相形貌由粗大的枝晶状逐渐转变为细小的球状晶粒。

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