超声熔体处理技术对7075 铝合金铸态组织及性能的影响

孟宪林

（沈阳远大装备科技有限公司，辽宁 沈阳 110027）

铝合金晶粒的大小直接影响其力学性能，细晶强化可以提高铝合金的力学性能和改善铝合金变形的均匀性[1]。

铝合金细晶强化的方法有技术主要有熔体过热法、变质处理法、合金元素添加法和熔体搅拌法等。超声（Ultrasonic）细化属于合金熔体搅拌法的一种方式，其原理是利用超声场在熔体中产生的声空化和声流效应达到除气和细化组织的目的[2，3]。

合金熔体在凝固过程中进行超声处理会使晶粒变细，改变其中一些物理机械性质，如延伸率，强度和变形特性等等。

1 实验设备及方法

1.1 试验合金

以航空航天领域常用的7075 铝合金为研究对象，分别研究了单纯的重力铸造（无超声）和超声铸造的铸棒，通过对金相和力学性能的检测，定性研究超声对7075 铝合金铸棒的影响，具体试验条件如表1 所示。

表1 试验条件

1.2 试验设备

试验设备如下图1 所示，采用井式坩埚炉将铝合金原料加热至熔融状态，采用沈阳远大装备科技有限公司自主研发的超声辅助铸造设备，将超声振动引入到熔融铝合金熔体当中。在铸造时，超声波通过工具头引入到铝合金熔体中，此次试验分别针对两种合金，在不同温度，进行超声辅助除气和细化晶粒处理，对比铝合金试样在不同试验条件下的组织和机械性能。

图1 实验设备

超声波辅助铸造设备主要由超声波发生器（超声电源）、超声波换能器、变幅杆、工具头、不锈钢坩埚及电阻炉等组成。

超声装置的功率为3kW，工作主频率为20kHz，并且具有连续可调节、频率可跟踪的特点，用于实验过程中对熔体的超声处理。

2 实验结果与分析

实验样品用水磨金相砂纸打磨至镜面，表面粗糙度约为Ra0.4，使用硝酸酒精溶液对合金表面进行腐蚀，以观察其金相组织，使用蔡司热场Gemini SEM 300 扫描电镜观测晶相尺寸及微观结构成分分析。

图2 蔡司Gemini SEM 300 扫描电子显微镜

2.1 金相分析

图3 未经处理的7075 铝合金金相形貌

由图3 可以看出，7075 铝合金在未经超声处理处理条件下，最大晶粒尺寸约180μm，平均晶粒尺寸约为100-120μm，最小晶粒尺寸为30μm。从能谱分析可以看出，合金元素Mg、Cu 和Zn在晶界处发生一定程度的富集，但第二相组织尺寸较小。

图4 7075 铝合金在680℃引入超声处理后的铸态组织形貌

由图4 可以看出，7075 铝合金在680℃下，经过超声处理，最大晶粒尺寸约60μm，平均晶粒尺寸约为30μm，最小晶粒尺寸为10μm。从能谱分析可以看出，合金元素Mg、Cu 和Zn 在晶界处发生明显富集，且形成了粗大的第二相组织。

图5 7075 铝合金在700℃下引入超声处理的铸态组织形貌

由图5 可以看出，7075 铝合金在700℃下，经过超声处理，最大晶粒尺寸约60μm，平均晶粒尺寸约为30μm，最小晶粒尺寸为10μm。从能谱分析可以看出，合金元素Mg、Cu 和Zn 在晶界处发生明显富集，且形成了粗大的第二相组织。

2.2 力学性能分析

图6 拉伸试样图纸

铝合金铸锭根据国标要求，加工成如图6 所示试样，进行力学拉伸试验，将相同铸造条件铸锭分为铸态和热处理态进行对比分析，均质化时效热处理制度为450℃×4h+140℃×34h，所得力学性能对比如下图7 所示。

图7 不同条件下7075 铝合金力学性能

（NC-未进行超声处理 Y6-在680℃条件下进行超声处理 Y7-在700℃条件下进行超声处理 TS-抗拉强度 YS-屈服强度 TS2-未经热处理试样的抗拉强度 YS2-未经热处理试样的屈服强度）

对比图7 中力学性能可以看出，在相同热处理状态下，经超声处理的铝合金性能明显优于未热处理铝合金，性能提升效果可以达到60%左右；热处理过程可以继承超声波处理对铝合金性能的提升效果，而且，超声波处理对热处理过程有良性影响，即可以提高热处理过程对材料性能提升的幅度。

图8 140℃条件下时效时间对试样硬度的影响

图8 显示了试验样件的硬度在140℃条件下进行处理，时效时间对试样硬度的影响，试验结果表明，试样硬度最大值出现在17 小时，并且不同试验条件的样件获得最大硬度值的时效时间相同，并且通过对比可以发现，经过超声处理的样品在所有时间都具有更高的硬度。

2.3 理论分析

将大功率超声设备输出的超声振动引入到铝合金熔体过程当中，熔体内部产生大量的空化泡，空化泡迅速发生崩溃，产生高能冲击波，将结晶长大的晶粒打碎，抑制了晶粒的长大，被破碎的晶体结构在声流的搅拌作用下，弥散地分布在熔体里，提高了形核率，所以凝固后的基体晶粒变成细小、均匀的等轴晶。超声波的搅拌作用，可以明显提高温度和化学成分的均匀性，抑制柱状晶的产生，减少偏析现象。由于超声波的晶粒细化作用，晶粒的数量迅速增加，从而使材料内部晶界数量显著增加，晶界数量的增加阻止了位错运动的产生，提升了材料的塑性变形抗力，即增加了材料的硬度。

3 结论

（1）经过超声处理后的7075 铝合金有效的促进了其晶粒细化程度，抑制了第二相MgZn2在晶粒内的析出，并促进其在晶界处的均匀分布。

（2）7075 铝合金经过超声处理后，硬度值和力学性能均得到了明显的提高，并且这种增幅可以伴随热处理工艺而被保留，使材料性能得到更大幅度的提升。

（3）超声波处理所产生的空化效应、破碎效应和声流搅拌效应，是促进合金晶粒细化和第二相析出的主要原因。