（材料学专业论文）超声7050铝合金组织与性能的研究.pdf

厂8 一。- 原创性声明 li ll l ii ii il lii iii l y 1719 17 5 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 亟弛 日期：丕! !年旦月生日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：杠 导师 ：丝丝年鱼月丝日 摘要 本文采用硬度测试、室温拉伸、x 射线衍射分析( x r d ) 、金相显 微镜( o 旧、扫描电子显微镜( s e m ) 和透射电子显微镜( t e m ) 等技术 研究了超声铸造技术和不同热处理制度对7 0 5 0 铝合金显微组织、力 学性能和热变形行为的影响，探索超声铸造技术对7 0 5 0 铝合金组织 与性能影响的机理。获得了如下结论： 1 对比常规铸造合金，超声处理使7 0 5 0 铝合金铸态晶粒更加细小， 并且呈现等轴晶粒，减少了粗大第二相的存在，提高表观质量。 2 超声铸造所产生的组织优良性可以遗传到后续的变形及热处理 中，在相同的热处理制度下，与常规铸造铝合金相比，超声铸造 的7 0 5 0 铝合金及具有高的抗拉强度和延伸率。 3 常规铸造的7 0 5 0 铝合金适宜的固溶单级时效工艺为4 8 0 1 2 0 m i n 固溶，冷水淬，随后1 2 0 1 2 h 时效。在此条件下，合 金的抗拉强度、屈服强度、延伸率分别为5 3 6 m p a 、4 6 2 m p a 、 1 5 o ；超声铸造的7 0 5 0 铝合金适宜的固溶单级时效工艺为4 8 0 6 0 m i n 固溶，冷水淬，随后1 2 0 8 h 时效。在此条件下，合 金的抗拉强度、屈服强度、延伸率分别为6 0 2 m p a 、5 4 7 m p a 、 1 2 7 。 4 超声铸造的7 0 5 0 铝合金具有更好的固溶、时效强化速度和效果； 超声处理的合金析出相的数量比常规合金的多，分布更加弥散， 无沉淀析出带带宽更窄，因此超声铸造的7 0 5 0 铝合金有更好的 综合力学性能。 关键字：超声铸造，7 0 5 0 铝合金，热变形行为，热处理制度 a bs t r a c t t h ei n f l u e n c eo fu l t r a s o n i cc a s t i n ga n dh e a tt r e a t m e n to nt h e m i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dh i g ht e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o n b e h a v i o rw a si n v e s t i g a t e db yh a r d n e s st e s t ，r o o mt e m p e r a t u r et e n s i l et e s t , x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，o p t i c a lm i c r o s t r u c t u r e ( o m ) ，s c a n n i n g e l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ( s e m ) a n dt r a n s m i s s i o ne l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ( t e m ) t h em e c h a n i s m o ft h ee f f e c to fu l t r a s o n i cc a s t i n go nt h e m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw a ss t u d i e d t h es u i t a b l eh e a t t r e a t m e n tt e c h n i q u e sf o rt h eu l t r a s o n i cc a s t i n ga n dc o n v e n t i o n a lc a s t i n g a l u m i n u ma l l o yw e r eo b t a i n e d t h er e s u l t sw e r es h o w n a sf o l l o w i n g ： 1 c o m p a r e d w i t h c o n v e n t i o n a l c a s t i n g 7 0 50a l u m i n u ma ll o y s ， u l t r a s o n i cc a s t i n ga l u m i n u ma l l o y sh a v ef i n e re q u i a x e dg r a i n sa n d l e s sc o a r s es e c o n d p h a s e 2 t h ee x c e l l e n tm i c r o s t r u c t u r e so fu l t r a s o n i cc a s t i n ga l l o y sc a ni n h e r i t t ot h es u b s e q u e n th e a tt r e a t m e n ts t e p s u n d e rt h es a m eh e a tt r e a t m e n t c o n d i t i o n ，t h eu l t r a s o n i cc a s t i n ga l u m i n u ma l l o y sh a v eh i g h e rt e n s i l e s t r e n g t ha n de l o n g a t i o nt h a nc o n v e n t i o n a lc a s t i n ga l l o y 3 t h es u i t a b l eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s sf o rc o n v e n t i o n a la n du l t r a s o n i c c a s t i n g7 0 5 0a l l o yi s s o l i ds o l u t i o nt r e a t e di n4 8 0 f o r1 2 0 m i n ， q u e n c h e di 1 1w a t e r , t h e na g e da t 12 0 f o r12 ha n ds o l i ds o l u t i o n t r e a t e di n4 8 0 f o r6 0 m i n ，q u e n c h e di nw a t e r , t h e na g e da t12 0 f o r8 h r e s p e c t i v e l y a f t e rt h ea b o v eh e a tt r e a t m e n t ，t h et e n s i l e s t r e n g t h ，y i e l ds t r e n g t h a n de l o n g a t i o nr a t ec a l lg e tt o5 36 a ， 4 6 2 m p ，l5 a n d6 0 2 m p a ，5 4 7 m p a ，1 2 7 ，a c c o r d i n g l y 4 u l t r a s o n i cc a s t i n ga l l o y sh a v eh i g h e rs o l i ds o l u t i o na n da g i n gr a t ea s w e l la sb e t t e rs t r e n g t h e ne f f e c t c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lc a s t i n g a l l o y , t h em i c r o s t r u c t u r ei sm u c hf i n e ra n dt h ep f z i sm u c hn a r r o w e r i nu l t r a s o n i c c a s t i n ga l l o y s t h e r e f o r e ，u l t r a s o n i c c a s t i n g 7 0 5 0 a l u m i n u ma l l o y sh a v eb e t t e rp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cc a s t i n g ，7 0 5 0a l u m i n u ma l l o y s ，h o tc o m p r e s s i o n d e f o r m a t i o n ，h e a tt r e a t m e n t i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论l 1 1 超声波处理技术。1 1 1 1 超声波处理应用于金属凝固的研究现状2 1 1 2 超声波处理的基本原理3 1 1 3 超声波处理的工艺参数控制5 1 1 4 超声波处理的工艺参数对金属凝固组织的影响5 1 1 5 金属超声处理的应用前景。6 1 2 超声振动对凝固过程的作用o 7 1 2 1 树枝晶向等轴晶转变及晶粒细化。7 1 2 2 超声除气9 1 2 3 组织均匀化10 1 3a i - z n m g c u 系高强铝合金的发展及研究现状l o 1 3 1 国外a l - z n m g c u 系高强铝合金的发展1 1 1 3 2 国内a 1 z n m g c u 系高强铝合金的发展1 4 1 3 3a 1 一z n m g - c u 系高强铝合金半连续超声铸造的发展与研究现状16 1 4 课题研究背景、意义及论文主要内容17 第二章实验方法19 2 1 熔体超声处理1 9 2 2 热力压缩模拟实验2 0 2 3 合金的变形与热处理2 1 2 3 1 均匀化工艺2 1 2 - 3 2 合金的轧制。2 1 2 3 3 固溶处理21 2 3 4 时效处理2 3 2 41 生能测试2 3 2 4 1 硬度测试2 3 2 4 2 拉伸力学性能2 3 2 5 显微组织结构分析2 4 2 5 1 金相显微分析2 4 2 5 2 差热分析( d s c ) 2 4 2 5 3x 射线衍射物相分析2 4 2 5 4 扫描电子显微镜观察2 5 2 5 5 透射电子显微镜观察：2 5 第三章超声处理对铸造7 0 5 0 铝合金热变形行为的影响2 6 3 1 高温压缩真应力- 真应变曲线2 6 3 2 应力应变本构方程的建立一2 8 3 2 1 应力一应变本构方程基本理论2 8 3 2 2 应变速率和变形温度与合金流变应力的关系2 9 i i i 3 3 变形条件对合金显微组织的影响3 3 3 3 1 金相显微组织3 3 3 3 2 透射电子显微组织3 4 3 4 本章小结3 5 第四章相同工艺下两种铸锭在随后变形及热处理中的组织与性能3 6 4 1 超声处理对铸造7 0 5 0 铝合金显微组织的影响3 6 4 2 合金轧制过程的组织演变规律。3 8 4 2 1 合金热轧过程的组织演变规律3 8 4 2 2 合金冷轧后的组织演变规律3 9 4 3 固溶处理和时效对合金组织性能的影响一4 0 4 3 1 合金同溶后的显微组织4 0 4 3 2 时效处理对合金性能的影响4 3 4 4 本章小结4 4 第五章7 0 5 0 铝合金热处理工艺探索；。4 5 5 1 固溶处理对7 0 5 0 铝合金组织与性能的影响4 5 5 1 1 固溶处理对合金硬度和显微组织的影响4 6 5 1 2 力学性能与断口显微组织5 3 5 2 单级时效处理对7 0 5 0 铝合金组织与性能的影响5 4 5 2 1 单级时效处理对合金力学性能的影响5 4 5 2 2 拉伸试样断口s e m 分析5 6 5 2 3 单级时效处理对合金显微组织的影响5 7 5 4 本章小结6 0 第六章结论j 6 1 参考文献6 2 致谢 ；8 攻读硕士学位期间发表的论文6 9 i v 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 现代科学技术的发展不仅对材料性能要求越来越高，而且对环保要求也日趋 严格。材料的环境协调性促使绿色材料加工技术的飞速发展【1 川。同时铝材的制 备大多经过配料铸造的过程，均质无裂纹的铸锭是生产合格铝材的前提条件。各 种裂纹的形成以及材料性能的优劣与其凝固组织有着密切的关系。同时随着铝材 应用的迅速扩大，不同领域对铝材性能要求日益提高，高性能铝材的制备是铝工 业持续发展面临的一个迫切问题，矛盾日益突显。 传统的冶金化学手段细化凝固组织工艺收到了环境理念的质疑和挑战，凝固 技术正朝着高效、环保的方向发展。如何能在不“污染”环境及材料的前提下实 现对金属凝固过程和凝固组织的控制是冶金及材料工作者长期追求和奋斗的目 标；如何细化晶粒，获得细小均匀的等轴晶组织，减少各种铸造缺陷，生产高强 合金一直以来都是国内外学者所关注的问题。传统的晶粒细化方法是在熔铸过程 中添加晶粒细化剂以细化铸造组织f 4 5 】，但使用细化剂会造成合金污染，并影响 金属的性能和重复性使用。所以一直以来，人们都在努力探索无污染、高效率的 细晶技术，通过引入外加物理场对熔体的结晶与传热过程进行调控，改变其凝固 过程，改善凝固组织是当前国际研究的热点。试验证明，超声波在液体中传播时 会产生空化、声流、机械等诸多特殊效应1 6 - 2 7 j ，通过这些效应可以改善组织、减 少偏析、改变二次相的形成及分布。在铝合金超声铸造方面，前苏联，俄罗斯， 美国、法国、日本等国家都进行了广泛的研究，积累了很多成果1 6 0 8 1 。 然而铸锭制备时铝合金加工过程的一个重要环节，但并不是最终工序。通 常铸锭还需经过变形处理和热处理之后才能投入使用。因此，提高铸锭冶金质量 的目的是为了使其获得更好的加工处理性能，使最终的产品质量随之得到改善。 本课题主要研究超声波的引入对a 1 z n m g c u 合金组织、性能的影响；以及 对合金热压缩变形行为的影响；探索引入超声波后合金的热处理工艺。为工艺参 数的选择和工业应用提供了理论依据。 1 1 超声波处理技术 超声振动法是一种机械震荡的方法，通过振荡棒将磁致伸缩或压电转换器产 生的振荡传递到合金熔体中进行铸造。利用超声振动处理铝合金熔体可以细化合 金组织，提高合金的力学性能，改善合金的宏观及微观偏析。功率超声指的是超 声波的强度提高到一定的程度时，就可以用其能量形式通过它与传声媒质的相互 作用使物质的一些物理、和生物特性或者状态发生改变，或者使这种改变过程加 中南火学硕士学位论文第一章绪论 快。 功率超声在液体媒质中传播时，产生一系列的效应，如空化效应2 2 1 、声流 效应和机械效应1 2 3 , 2 4 1 等，这些效应将引起流体中流动场、压力场和温度场的变化， 进而会诱发一些特殊的效果。近年来，功率超声在工业加工、环保等各个方面的 应用引人注目。 1 1 1 超声波处理应用于金属凝固的研究现状 早在1 9 3 5 年，s o k o l o v l l 9 1 就利用超声振动装置对纯金属( 舢，z n ，s n 等) 进行 了振动凝固研究。超声振动的高能量以及其特殊效应提高了熔体处理的效果，随 着新型大功率超声换能器的出现，系统研究超声熔体处理成为可能【2 0 】。 e s k i n i l 4 卅7 j 研究认为超声波处理可以除气、净化：精炼金属，形成非枝晶组 织。对高纯铝进行超声波处理，处理后拉伸强度从5 4 m p a 提高到7 0 m p a ，硬度 从h b l 7 2 提高到h b l 9 7 ，同时延伸率也得到了改善。在m g 合金凝固过程中采 用超声处理可以明显除氢及细化晶粒。在连续铸造中，用超声波处理a 1 s i 合金， 也取得了良好的效果，对初生s i 相的细化作用十分显著。 a b r a m o v 和g u r e v i c h 使用超声波处理具有不同点阵结构的纯金属，结果表明 超声处理能够使具有不同点阵结构的金属晶粒细化，力学性能提高1 1 8 】。a b r a m o v 将超声熔体处理应用半固态舢s i 合金，提高了合金触变性能，认为空化泡崩溃 可以打碎六边形的初晶硅、树枝晶。通过分析超声场作用下金属凝固机理和凝固 后组织结构变化，探讨了空化与声流的形成及作用机理【1 9 - 2 2 1 。 李英龙拉纠等将功率超声应用于金属凝固结晶的全过程，研究了超声处理对共 晶及过共晶a l s i 合金组织和性能的影响。实验结果表明，适宜参数的超声处理 使初生s i 和共晶s i 相显著细化，断裂并呈粒状分布，合金的强度和塑性明显提 高。 赵忠兴口4 j 等采用底部导入方式对铝合金进行超声处理，经超声处理的合金组 织得到明显细化，树枝晶被打碎，形成均匀的等轴晶组织。分析了超声波导入方 式对合金显微组织的影响，探讨了超声波在铝合金熔体中的传导距离与显微组织 细化的关系。认为超声波在液体中传播时，将会产生周期性的应力和声压变化， 在声波的波面处形成很强的压强梯度，产生局部的高温高压效应，这种效应导致 瞬间的正压、负压变化，致使结晶过程中固液界面正在形核、长大的晶胚脱落 下来，被超声波振动作用下的合金液带到整个熔体的各个部位，从而改变了固 液界面的结晶方式。 h a n b i n gx u i z s l 等采用频率为2 0 k h z ，最大功率为15 0 0 w 的超声处理a 3 5 6 铝合金，在不同的凝固过程中除气，降低样品的气孔率。这一系列动力学过程是 2 中南大学硕上学位论文 第一章绪论 凝固时间、熔体温度、氢气含量及浓度的函数。 x j i a n l 2 6 1 等人在一系列不同固态分数条件下，采用钛合金变幅杆导入a 3 5 6 合金熔体进行处理，得到了球状的细化晶粒。空化效应使熔体产生了更大的过冷 度，功率超声诱发了不同种类的形核扮演了比树枝晶破碎更重要的角色。 冯伟骏1 2 7 | 等采用高能超声处理p b s n 合金，研究发现经过功率6 0 0 w 的超声 处理后，先析出相的析出温度升高3 ，凝固温度升高了5 c 。随着超声功率的 增加，合金组织的细化程度提高，但功率提高到一定程度时，细化作用减弱。 胡化文【2 列等通过在7 0 5 5 铝合金熔体浇注前作超声处理，认为是空化作用活 化了熔体中微小的杂质( a 1 2 0 3 ) ，使其成为结晶核心，从而促进了形核。因此能细 化晶粒和均匀化组织，提高其抗拉强度，并大幅度提高塑性。 高守雷1 2 9 j 等采用超声处理s n 1 0 5 w t s b 包晶合金，在熔体温度为3 0 0 c 时 细化效果最为显著。不仅细化q 相和b 相晶粒组织，同时使具有立方晶体特征的 1 3 相组织有明显的丘化趋势，消除了密度偏析。他们认为，当锡锑包晶合金熔体 导入超声波以后，产生了空化效应。在空化泡形成长大过程中，其尺寸迅速增大， 导致内部的液体蒸发。空化泡的增大和内部液体的蒸发会从周围吸收能量，导致 空化泡表面的金属溶液的温度降低，造成局部过冷，因此在空化泡的附近形成晶 核，使形核率增加，组织得到细化。在空化泡的崩溃过程中，产生的强烈冲击波 将会击碎初生晶体和正在长大的晶体，使之成为破碎的晶体质点，在声流的搅拌 作用下，又使其弥散地分布于熔体中，相当于增加了外来核心，提高生核率，同 时抑制了晶体的生长，所以凝固后基体晶粒细小均匀。 1 1 2 超声波处理的基本原理 1 ) 超声场的施加 通过加入超声波实现了超声铸造，它所使用的主体设备由超声换能器、超声 变幅杆、结晶器、引导器组成。 超声换能器是将电能转变为超声能的器件。常用的超声换能器有压电换能器 和磁致伸缩换能器。前者可以提供频率极高的超声波；后者的时间、高温稳定性 明显优于前者，且能提供较高的功率，故更适于高温熔体在超声场中的凝固。但 存在的不足是设备庞大和既定的频率不能随意变动。超声凝固所使用的换能器的 振动频率范围大致为2 0 2 0 0 k h z ，最常用的是2 0 k h z ，较高的频率不常采用是因 为频率越高，空化越难以发生【3 0 】。 超声变幅杆是将超声能由换能器直接传递给熔体的中介。变幅杆的选择是一 个需要认真考虑的问题，因为它既要与高温熔体保持良好的能量藕合，又要尽可 能地减少高温腐蚀。d o b a t k i n 和e s k i n 曾用碳钢变幅杆对铝合金溶液进行声强为 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 7 - 2 0 w c m 2 的超声振动处理，结果碳钢棒迅速熔化，即使采用c r l 8 t i 9 不锈钢变 幅杆，其寿命也仅有1 - 2 m i n ，2 0 世纪8 0 年代，a b r a m o v 研制了水冷变幅杆并 成功用于处理铝合金溶液。 另外，在铸造过程中，应该严格控制超声振动的施振方式，即进行上部导入、 水平导入、下部导入等方式的选择，同时选择垂直振动、水平振动、旋转振动等 方式，充分利用超声波与金属熔体作用产生的效应，使晶粒细化。 2 ) 超声在金属熔体中的作用机制 ( 1 ) 声空化效应( a c o u s t i cc a v i t a t i o n ) 超声波在液体中传播时，液体分子受到周期性交变声场的作用。在声波的稀 疏相内，液体受到拉应力，若声压值足够大，则液体被拉裂而成空化泡，在随后 来临的声波正压相内，这些空化泡将以极高的速度闭合或崩溃，从而在液体内产 生瞬时的局部高温高压。这种局部高温高压分别为： h 半嘲 半r 其中t o 为液体温度，p m 为声压幅，p o 为液静压力，丫为比热。理论计算和实际 测量的结果均表明，t 和p 的量级分别高达1 0 4 k 和1 0 4 a r m 。而这种局部高压在 传播时会形成瞬间的高冲击波，足以影响流体中的热力学平衡。而无数个空化泡 溃灭产生的局部高温的结果是导致局部熔体明显温升。 ( 2 ) 声流效应( a c o u s t i cs t r e a m i n g ) 超声在流体中的有限振幅衰减是使液体内形成一定的声压梯度，从而形成一 个流体的喷流。此喷流直接离开换能器端面并在整个流体中引起一个整体环流。 声流的速度比质点振动速度小得多，但亦能达到流体热对流速度的5 1 0 倍。文 献1 3 2 】给出了声流的最大可能速度： t l = 也趸如 其中f 为超声频率，a 为液体中声波振幅。 声流对于破坏边界层，加速传质、传热，促进微细颗粒的弥散及清洗表面杂 质起到了关键作用。 ( 3 ) 力学机制 超声波是机械能量的一种传播形式。超声在液体中传播时，液体质点的位移、 振动速度、加速度及受到的声压可表示为f 3 3 】： x = x o s i n 2 北r v = v o c o s 2 f t a _ - a o s i n 2 f tp a = p a c o s 2 f t 其中：x o 为质点的位移振幅，f 为超声频率，v o = 2 兀f x o 为质点振动速度幅 4 中南人学硕上学位论文第一章绪论 值，a o - - 4 2 f 2x o 为质点加速度幅值，p a = 2 pcf x o ( p 为液体的密度，c 为该液 体中的声速) 为声压幅值。以2 0 k h z ，1 w c m 2 超声在水中传播为例，其中p a - 1 3 7 1 0 n m 2 ，这意味着声压在每秒钟内要在+ 1 3 7 l 【p a 到1 3 7 k p a 之间变化两万次；而 最大质点振动速度v o = 0 11 5 r n s ，最大质点位移x 0 = 0 9 3 9 r n ，最大质点加速度a o = 1 4 4 1 0 4 r r v s 2 ，即大约为重力加速度的1 5 0 0 倍。对于更高强度的超声在金属液中 传播情况，这些参数将更大。显然，这样激烈而快速地变化的机械运动对凝固过 程定会产生很大的影响。 1 1 3 超声波处理的工艺参数控制 在超声铸造过程中，工艺参数的控制主要是以下方面： ( 1 ) 超声换能器的类型 常用的超声换能器有压电换能器和磁致伸缩换能器。前者可以提供频率极高 的超声波；后者的时间、高温稳定性明显优于前者，且能提供较高的功率，故更 适于高温熔体在超声场中的凝固。但存在的不足是设备庞大和既定的频率不能随 意变动。超声凝固所使用的换能器的振动频率范围大致为2 0 2 0 0 k h z ，最常用的 是2 0k h z ，较高的频率不常采用是因为频率越高，空化越难以发生。 ( 2 ) 变幅杆设计 变幅杆是将超声能由换能器直接传递给熔体的中介。变幅杆既要与高温熔体 保持良好的能量藕合，又要尽可能地减少高温腐蚀。变幅杆材料的选择需要满足 以下条件1 3 4 3 5 ：1 ) 在工作频率范围内材料的损耗小；2 ) 材料疲劳强度高，而声阻 抗率小；3 ) 易于机j n - r ，作液体处理应用时还要求变幅杆的辐射面所用材料耐腐 蚀。一般使用4 5 # 钢作为变幅杆材料，水冷变幅杆也使用4 5 # 钢。 ( 3 ) 施振方式的控制 超声振动凝固的施振方式按振动方向分为：垂直振动、水平振动和旋转振动； 按振动部位分为：下部引入、上部引入( 冷或热) 和水平引入。变幅杆由液面浸入 垂直施振是最常用的方式，具体的形式有：a ) 水冷变幅杆对液面施振以产生簇射 ( s h o w e r ) 效应；b ) 减少变幅杆与铸型壁之间的间隙以形成缓冲器( d a s h p o t ) 效应； c ) 变幅杆端面始终保持与凝固前沿接触，以产生粘附( v i s c o u sa d h e s i o n ) 效应；d ) 高声场下的空化与声流效应共存。 1 1 4 超声波处理的工艺参数对金属凝固组织的影响 影响超声细化的参数有很多方面，这里仅从功率、温度和距离这三方面进行 说明。 ( 1 ) 功率 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 随着超声输入金属溶液中能量的增大，冷却速度被减慢，当冷却速度慢到一 定程度时，凝固组织粗化。研究不同超声功率对p b s n 合金的凝固行为进行超声 振动。实验结果表明：当超声功率由2 0 0 w 提高到6 0 0 w 时，细化程度明显增强。 当功率达到8 0 0 w 时，与功率6 0 0 w 时的凝固效果比较，晶粒的细化程度基本没 有改变【2 7 1 。 ( 2 ) 温度 研究超声场下不同熔化温度对s n p b 合金凝固组织影响的实验数据表明：用 功率为2 0 0 w 的超声波分别处理2 8 0 、3 0 0 和3 2 0 出炉的熔体，随着温度的 升高，组织细化效果显著，单当温度很高时，一方面因超声作用太长，由于声吸 收，则会产生很明显的热效应。因此在熔点附近区域进行超声处理效果最好【2 9 】。 ( 3 ) 距离 距离即为超声波在金属溶液中的衰减。采用底部导入法作用于金属液时1 4 2 1 ， 分别观察了超声作用在a 、b 、c = - 点处的金相组织变化( 如图1 1 所示) ，c 点为超声 波作用处从实验中可以得出三个位置的显微组织有不同程度的细化，c 处最为 明显，该处正是超声波作用最强的位置1 4 2 1 。 图1 1 超声波位置作用示意图 1 1 5 金属超声处理的应用前景 人类进入2 1 世纪后，一方面，从环境材料的角度出发，超声波物理场细晶 强化成为金属材料理想的强化手段。另外一方面，物理、材料和电子等领域科学 技术的飞速发展使大功率超声设备和耐高温变幅杆的生产成为可能，特别是非接 触式电磁超声波的诞生，为该技术在金属的制备中的应用开辟了更广阔的空间。 俄罗斯科学家运用超声处理方法解决了高强铝合金铸锭开裂的难题，成功地 铸造出无开裂的重达1 0 吨的铝合金铸锭，受到国际瞩目，如图1 2 所示。因此， 相信超声凝固技术将会再度成为材料领域的研究热点，并体现出其特有的优越 性。 6 j 一 咚j 名 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图1 - 2 用u s t 方法生产大型铸锭( 2 3 2 4 合金，直径1 2 0 0 m ，重1 0 0 0 0 k g ) ( a ) 使用i j s t 方法铸造的大锭子 ( b ) 为枝晶结构晶粒尺寸1 - 2 r a m ( 未作用超声，可能开裂) ( c ) 为无枝晶结构晶粒尺寸小于o 2 m m ( 作用超声，不开裂) 1 2 超声振动对凝固过程的作用 超声铸造对铝合金凝固组织的改变其重要的作用，进几年来，经过众多学者 的研究观察，得到大致相同的试验现象，主要表现为超声振动促使树枝晶向等轴 晶转变，组织细化，引起共晶组织形貌变化，使枝晶臂间距发生变化；超声处理 还能起到改变溶质的分布，消除宏观偏析与微观偏析，减弱铸锭表面的偏析现象， 提高表面质量等。但是，铸造过程中发生的现象相当复杂，现有手段难以对其进 行系统全面的研究，因而在诸多问题上难以达到共识，但较认可的是如下几种作 用。 1 2 1 树枝晶向等轴晶转变及晶粒细化 超声波对合金最显著的影响就是促使等轴晶增多，对其机理的探讨有很多， 在理论上也越来越丰富。早在2 0 世纪6 0 年代，l a n g e n b e r g 等人p 6 j 报道了在超 声波作用下凝固的钢锭，其晶粒得到明显细化。j o h n s o n 等人【3 7 , 3 8 1 研究了超声振 动对纯s n 和s n p b 合金凝固组织的影响，认为在超声振动作用下的可以很大程 度上提高晶核的数量，等轴晶细化的主要原因是超声振动使枝晶臂破碎的结果。 贾非 3 9 4 0 1 等人也认为流动加速了过热的驱散过程并打碎枝晶臂，从而导致晶粒数 量的倍增。凝固前沿附近悬浮的晶核很容易被带走，并重新分布于过热的熔体中。 7 中南大学硕二i = 学位论文第一章绪论 最终整个熔池中因大量悬浮晶核的存在，几乎同时结晶，从而形成了细小的等轴 晶。持以上观点的人普遍都赞同f l e m i n g s 4 1 1 提出的生长模式：增大搅拌强度，延 长搅拌时间，减低冷却速度，会使合金组织沿着初始枝晶碎片一枝晶生长一玫瑰 花形一成熟的玫瑰化形一椭球形发展，如图1 3 所示。 妒豁 ( a ) ( b )( c ) o ( d )( e ) 图1 3 非树枝晶组织的演变模型 ( 1 ) 形核率增加 大量实验结果表明，空化泡的崩溃可以导致过冷液体中固体的形核f 4 3 1 。凝固 相变时需要的压力为： 尸：一1 a v kv 其中k 为压缩率，a v v 为凝固中的体积变化率，计算结果表明p 必须达到 1 0 4 a t m 才能实现液态至固态的转变。显然，空化产生的高压能够达到这一量级， 从而能够导致晶核的生成。从热力学角度来看，过冷度愈大，形核所需的临界晶 核半径愈小，形核率也愈高。而凝固点变化z 和压力变化廿直接的关系服从 c l a p e y r o n 方程 z丁y - - k = 一心h 其中a v 和脯为熔化过程中的体积变化和焓变，丁为绝对温度。计算结果表明， 对于纯铝而言，1 0 3 a r m 可使凝固点上升6 c ，而1 0 4 a t m 的压力则可使之上升6 0 。可见，空化产生的高压冲击波能够使局部熔体的熔点显著上升，有效过冷度 亦随之大大增加，从而提高了形核率，最终使晶粒细化。 8 鹊弼嗣i啊蠲q j器i。 4 ， 霉 气囱驾锄灌甥l佣绷镉馕d一 舀 。 ，： 、 - k 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 此外，一些学者还发现超声振动能够减少晶体与熔体的界面能以及能使熔体 中的杂质活化成为形核的有效基底【4 引，从而也能减少晶核的临界半径，提高形核 率。 ( 2 ) 簇射效应 s o 咖n j 证实了晶粒倾向于在铸壁或水冷变幅杆冷的敞开表面上形核长 大，这些晶粒在声流作用下呈碎片簇射( s h o w e r ) 至u 熔体中，在铸锭中心形成等轴 晶。变幅杆的振动加强了这种机制。 ( 3 ) 晶粒破碎 液体从平面前沿凝固时，超声振动对晶核形成于晶体生长起什么作用，历来 有多种说法，其中比较可信的有两种机制：a 现存固体界面的破碎。崩溃空穴 产生的强烈冲击波对空化泡附近的固相产生不寻常的机械破坏，反复的高速冲击 可能会导致固相的局部脆性损伤，从而增加了晶粒的数目。b 现存固体界面的 熔蚀。液体凝固过程中倾向于把不被湿润的颗粒推向固液界面处并聚集在那里。 而不湿润颗粒处空化极易产生，所以凝固前沿空化将反复不断地生成，空化所形 成的局部热脉冲不断地冲击凝固前沿，最终使界面局部熔蚀，从而增加晶粒数目。 超声场对枝晶凝固的作用机制可能有以下几种：a 机械碰撞。以1 0 1 0 0 m m s 速度下降的晶粒和微小空化泡将折断其坐落的枝晶臂，导致晶粒增殖j 。b 根 部重熔。空化产生的高温或枝晶的温升可能使枝晶熔断。c 根部再结晶剥落。 声流使流体对枝晶产生弯曲应力，从而促使横穿枝晶根部小角度晶界的扩展，直 至熔体的浸入使枝晶剥落。从能量的角度看，根部弯曲与再结晶剥落的结合最适 宜。 无数的实验结果表明，超声振动凝固能使绝大多数金属和合金的晶粒得到显 著的细化，从而使它的性能得到全面、大幅度地提高。对于少数共晶合金而言， 超声振动能够使共晶体间距和二次枝晶间距增大，从而使晶粒粗化。其原因是振 动使凝固前沿的扩散边界层减薄，溶质更加快速地从液体中传输到凝固前沿。 1 2 2 超声除气 熔体中气体来源多种多样，过饱和溶解于熔体中的气体在超声空化作用下可 以被析出，并与附近的气泡合并而成较大气泡，当其长大至一定尺寸时，可以上 浮至液面而消失。在声流作用下，微小气泡随机运动，合并的机会很多，最终可 以克服液流的限制而上浮到液面。因此，超声的引入可以除去熔体中的大部分气 体，从而避免铸锭中的气孔缺陷，极大地改善铸锭的质量。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 组织均匀化 超声振动可以使铸锭的合金元素分布均匀，减小或消除宏观和微观偏析【4 5 】， 从而使屈服强度、耐腐蚀性提高。这显然是声流作用的结果。超声凝固使组织均 匀化的典型结果剧4 6 l ：丸屈服强度增加1 0 3 0 ；b 抗拉强度增加2 0 - 4 0 ： c 延伸率增加2 0 - 4 0 。另一个显著改善的方面是合金的热加工性能，尤其是 锻造性能得到明显改善1 4 7 1 。 1 3a 1 z n m g c u 系高强铝合金的发展及研究现状 z n m g c u 系( 简称7 x x x 系) 铝合金是超高强铝合金，由于它具有高的比 强度和硬度、耐用且经济、易于加工、较好的耐腐蚀性能和较高的韧性等优点f 1 1 ， 使之广泛应用于航空航天领域，并成为这个领域中重要的材料之一。美国将其编 成7 0 0 0 系，前苏联将其定义为b x x ，我国现定义为7 x x x ( 原l c x ) 。 新型飞机设计的主要思想是减少油耗、提高飞行速度、增加载重量，以便提 高战术性能和经济效益。因此，在结构设计上尽可能要求减轻机体重量，在选材 方面采用比强度高的现金材料。 1 9 5 6 年，苏联在深入研究a 1 z n m g c u 系列合金的基础上，通过提高合金纯 度，降低合金元素含量研制出世界上第一种超高强度铝合金b 9 6 u 。上世纪7 0 年 代末8 0 年代初美国先后在7 0 7 5 合金的基础上，为满足某些特殊性能的要求，通过 增加合金中z n 、m g 元素的含量来提高强度，采用以z r 代替c r 的方法，并同时提 高了合金元素c u 的含量及z n m g = k ，研制出7 0 5 0 铝合金，得到了更好的综合性能。 对于7 0 5 0 合金本身，为了寻求最佳强度和韧性，通过降低f e 、s i 杂质的含量，进 而开发了纯度更高的7 4 7 5 铝合金。国内超高强铝合金的研究开发起步较晚，直到 上世纪8 0 年代末我国的a 1 z n m g c u 系铝合金才进入实际应用阶段，主要用于制 造航空器的某些结构件。 随着近年来航空航天制造业发展的迫切需要，国内外众多科研工作者对 a 1 z n m g c u 系列超高强度铝合金开展了大量的研究。2 0 世纪9 0 年代，美国、英 国、日本等工业发达国家，采用先进的喷射成形技术开发了含z n 8 以上的新一 代超高强铝合金，用于制造交通运输领域强度高、抗腐蚀性能好的高应力结构 件。近年来，美同正在大力研究开发强度更高、韧性及耐蚀性更好的新一代7 a 5 5 高强铝合金。我国在上世纪9 0 年代分别采用常规半连续超声铸造法和喷射成形工 艺试制了7 a 5 5 超高强铝合金和含z n 量更高的超高强铝合金1 4 8 】。 1 0 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 1 国外砧- z n - m g - c u 系高强铝合金的发展 19 2 3 19 2 6 年，德国科学家w s a n d e r 和k l m e i s s n e r 发现z n m g 合金经 淬火、时效后具有很高的强度1 5 州。以此为基础，发展出了后来的7 0 0 0 系铝合金。 1 9 3 2 年，韦伯尔在合金中添加c u 和少量的m n ，开发出世界上第一种以a 1 z n m g c u 为基的高强铝合金：舢1 0 z n 2 m g 一2 c u - 1 m n ( 质量百分数，以下 同) ，经淬火时效后，合金抗拉强度可达5 8 8 m p a ，屈服强度可达5 4 9 m p a ，延伸 率为6 ，且抗应力腐蚀性能有所改善。在这一时期，尽管添加了m n 等一系列 元素作为改善应力腐蚀的元素，但由于该合金具有