超声振动对5356铝合金组织及力学性能的影响

刘景山，阎峰云，2，康 靖，汪 洋，赵永生

（1.兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，甘肃兰州730050；2.兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室，甘肃兰州730050）

5356铝合金作为一种不可热处理强化的变形铝合金，具有质轻、强度高以及良好的耐腐蚀稳定性和较高的比模量、断裂韧性。在航空航天、造船、汽车制造、兵工生产等领域得到了广泛的应用[1-4]。5356铝合金为许多铝合金产品的母材，通过拉拔等工艺使铝合金加工成细丝，因此很大程度上对其质量要求较高，而合金成分与组织是否均匀、晶粒是否细小、熔体是否干净均为影响5356铝合金质量的因素。因此，一直以来国内外研究人员通过净化处理、细化处理、微合金化等工艺提高5356铝合金质量。但是许多工艺还是存在一定的缺陷。对铝合金熔体用精炼、过滤等工艺来除气、除杂，精炼剂产生的气体会造成环境的污染，试剂的浪费，过滤使得熔炼工序增加，工作量增大。超声处理金属熔体作为一种新的熔体处理技术，已广泛被人们所关注。高强度超声振动处理铝合金熔体不仅可以细化凝固组织，还能对铝合金熔体产生精炼的效果[5，6]。黄宇炜等[13]通过超声处理5356铝合金，分析了超声处理对合金晶粒细化程度的影响。

本文通过超声振动处理5356铝合金熔体的试验，研究超声处理工艺对于5356铝合金熔体净化及组织细化程度的影响。通过试验数据的分析比对最终获得超声处理5356铝合金的最佳工艺参数。

1 试验

1.1 合金成分

5356铝合金按国家标准（GB/T 3190-1996）成分进行配料。Mg、Ti元素取上限，Mg元素的烧损量按8%计算，其他控制元素均取中间值。试验的原料选用纯铝（99.97%）、纯镁（99.99%）、纯钛粉，Mn、Gr元素的添加选用Al-10Mn、Al-10Gr中间合金，细化剂选用Al-5Ti-1B中间合金。

1.2 合金熔炼

试验用电阻炉，在石墨坩埚中进行熔炼，炉温为850±10℃熔炼纯铝，熔体温度达到850℃左右时在熔体表面撒覆盖剂（KCl2：MgCl2：CaF2=2：2：1），覆盖剂不仅防止熔体吸气以及表面被氧化，而且还能吸附熔体表面的氧化物夹杂；炉温上升过程中静置10min再搅拌，900℃时加入铝箔纸包好的纯钛粉，900℃以上静置10～15min，待温度降至740℃加入Al-10Mn、Al-10Gr中间合金，720℃加纯镁，静置5～10min，720℃加入细化剂，等温静置5min。之后用陶瓷泡沫网对熔体进行过滤。然后超声处理合金熔体，最后扒渣、浇铸，浇铸温度720℃，金属模具温度为200℃。模具为国家标准设计（GB/T1173-2013）。其中获得的金属试样是单铸毛坯试样。

熔体超声处理装置如图1所示，超声处理频率为20kHz，功率为1kW。为防止振动过程中高温铝熔体粘附在变幅杆上，处理之前对变幅杆刷涂料并做预热处理，当熔体温度达到目标温度时，先启动振动系统，在熔体表面中心处将变幅杆插入然后对熔体进行等温超声处理。然后静置坩埚，待熔体温度达到浇铸温度。超声处理过程中当熔体温度为720℃时通过改变变幅杆插入深度（10mm、20mm、30mm）、超声处理时间（2min、5min、10min）对熔体进行超声处理。

图1 超声处理装置图

在浇铸试样上截取长度15mm、直径18mm的圆柱试样，经过研磨、抛光，用4XC型光学金相显微镜进行显微组织的观察与分析；用WDW-100D型电子万能材料试验机对浇铸试样进行力学性能的测试，其中拉伸速度为0.5mm/min；在维氏显微硬度仪上测试硬度，载荷为0.98N，用比重瓶测试合金的密度；在扫描电子显微镜上观察拉伸试样断口形貌，在XRF-1800型X射线荧光仪测所得试样的实际成分，所测成分（如表1所示）均在标准成分范围内。

表1 5356铝合金实际成分 ωB/%

2 试验结果与分析

2.1 金相组织的分析

图2a为未加超声铸锭显微组织图，图2b为5356铝合金熔体温度为720℃左右时加超声铸锭显微组织图。两铸锭除超声处理外其它熔炼历程基本一样。图中A为树枝晶，B为杂质，C为氧化物夹杂（其主要成分是Al2O3和MgO[6]）。通过对比可以看出：图2a中未加超声铸锭显微组织中有较多的、粗大的树枝晶，并且分布不均匀，还有氧化物夹杂以及其它杂质，晶粒形状大部分为长条状。图2b加超声铸锭显微组织中除了有较少的树枝晶外，Al、Mg元素的氧化夹杂含量也非常少，并且晶粒分布较均匀，晶粒呈短条状。未加超声与加超声相比晶粒尺寸有所减小，但变化不大。

当铝合金熔体中加入超声振动，在空化效应的作用下，合金熔体中会产生大量的空化泡，即超声波在液体传播过程中，使液体在交变声场的作用下形成空化泡，在不断声波作用中，这些空化泡就会崩溃，产生瞬时的高温高压区。当超声频率、输出功率为20kHz、1kW时，空化泡崩溃会产生104K、100MPa左右的高温高压区[8]。而空化泡崩溃时产生的冲击波，会使得熔体中长大的树枝晶破碎，形成均匀的晶粒组织[9，10]。部分空化泡在熔体浮力的作用下，上升至熔体表面。根据气泡浮游法原理，空化泡在上升过程中，会使熔体中气体进入气泡中，使杂质粘附在气泡表面，随气泡移动至熔体表面，从而将熔体中的气体、杂质除去。

图2 铸锭显微组织（a）未加超声（b）加超声

2.2 力学性能

2.2.1 不同变幅杆插入深度对力学性能的影响

如图3a为不同变幅杆插入深度所对应的密度，可以看出插入深度为10mm、20mm时密度变化较小，而深度为30mm时增大较为明显，达到了2.598g·cm-3，比未加超声处理合金提高了3.2%，图3b为维氏硬度变化曲线，图中加超声之后硬度明显大了许多，并且随着深度的增大硬度不断增大，30mm时达到了91.4。图3c为抗拉强度与伸长率的变化曲线，从图中可以看出插入深度为10mm时，抗拉强度小于未加超声处理时的强度，随着插入深度的逐渐变长抗拉强度也不断增大，插入深度为30mm时抗拉强度最大，达到225MPa，比未加超声提高了7.14%。而当经过超声处理之后伸长率明显提高了许多，随着插入深度的增大，伸长率也不断增大，插入深度为30mm时伸长率达到11.7%，比未加超声提高了约52%。

结果表明5356铝合金熔体经过超声处理之后，随着插入深度的不断增大，其抗拉强度和伸长率均有所提高。超声处理对铝合金熔体温度在700℃以上产生的除气效果较为明显[11]，随着变幅杆插入的深度变长，合金熔体与变幅杆的接触面积就增大，超声振动在熔体中产生的空化气泡就越多，而空化气泡扩散的范围就越广，在上浮的过程中能带走较多气体、杂质。因此使得合金力学性能得到提升。

图3 变幅杆的不同插入深度下铸锭的力学性能变化曲线

2.2.2 超声作用时间对力学性能的影响

超声处理时间是影响合金组织与性能的重要因素之一，通过改变超声振动在5356合金熔体中的超声作用时间，从而分析获得试样的力学性能。如图4a为密度变化曲线，其中时间为2min时密度最大，其他处理后的密度均较小。图4b是硬度的变化曲线，其中超声处理时间为5min时硬度达到最大，10min时硬度呈现减小趋势。图4c为抗拉强度、伸长率的变化曲线，可以看出超声处理后，抗拉强度、伸长率变化明显，同时随着超声处理时间的变长，合金伸长率不断增大，处理时间为10min时，伸长率达到了12.5%，而抗拉强度呈现了减小的趋势，10min时最低。因此当超声处理2min，合金力学性能最好。

2.3 拉伸断口形貌分析

对拉伸试样的断口形貌进行扫描电镜的拍摄，图5a的断裂方式为沿晶加穿晶的复合式断裂，但是从图中可以看出大部分都是沿晶断裂。图b中出现了大量的“韧窝”，几乎全是穿晶断裂。所以图b合金力学性能要比图a的好。5356铝合金中的Mg元素以第二相及固溶的形式存在合金中，合金凝固过程中Mg元素的晶内、晶界偏析较严重[12]。超声处理铝合金熔体过程中会使Mg元素的扩散能力增大，使Mg元素的分布更加均匀。因此合金的宏观力学性能有了进一步的提高[13]。

3 结论

图4 在不同超声处理时间下铸锭的力学性能变化曲线

图5 试样拉伸断口形貌图

（1）一般熔炼浇铸的5356铝合金组织中存在大量的、不均匀的树枝晶，以及较多的氧化物夹杂。经过超声处理后的5356铝合金组织树枝晶较少，晶粒均匀分布，而且还可以除去许多有害气体、氧化物夹杂。

（2）超声处理5356铝合金熔体，变幅杆插入深度、超声处理时间的不同均对合金力学性能产生了影响。当熔体温度为720℃左右，变幅杆插入深度为30mm，超声处理时间为2min时，5356铝合金组织与力学性能最佳，抗拉强度达到225MPa，比未加超声提高了7.1%，伸长率为11.7%，密度2.598g·cm-3，提高52%，维氏硬度为91.4。