工程科学学报，第41卷，第8期：1007-1015,2019年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.8:1007-1015,August 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.006;http://journals.ustb.edu.cn 超声外场对不同温控状态下ZL205A铝合金凝固规律 的影响 商 兵12)，蒋日鹏2,3)，李晓谦12)，李瑞卿23》，张昀2)，张立华12) 1)中南大学机电工程学院，长沙4100832)中南大学轻合金研究院，长沙410083 3)中南大学高性能复杂制造国家重点实验室，长沙410083 ☒通信作者，E-mail:jiangripeng@163.com 摘要采用不同的超声外场处理熔体工艺，研究了其对铸锭质量的作用机理与改善效果.针对保温(750℃)和空冷（从750 ℃空冷7min10s至约650℃)两种不同温控状态下的ZL205A铝合金熔体，分别进行相同参数的超声场处理，研究超声场对凝 固组织的影响规律，并利用力学拉伸实验进行验证.研究结果表明：在保温状态下对熔体施加超声处理，具有较好的除气与改 善第二相组织分布的效果：在空冷状态下施加超声处理则可以消除集中缩孔，显著细化晶粒：当在保温和空冷条件下全程采 用超声处理，铸锭内部质量的改善效果最佳.力学性能的测试结果与铸锭凝固组织的变化规律具有一致性，验证了上述结论. 综上，对不同温控状态下的熔体施加超声处理，对熔体凝固过程的影响不同，对铸锭内部质量的改善效果也各有侧重. 关键词超声波处理：ZI205A铝合金：补缩性能：凝固组织：熔体 分类号TG249.9 Effect of ultrasonic outfield on solidification rules of ZL205A aluminum alloy under different temperature-control states SHANG Bing),JIANG Ri--peng2a,山Xiao-gian2),山Rui-ging2》,ZHANG Yun2-》,ZHANG Li--ha2) 1)College of Mechanical and Electrical Engineering,Central South University,Changsha 410083,China 2)Light Alloy Research Institute,Central South University,Changsha 410083,China 3)State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing,Central South University,Changsha 410083,China Corresponding author,E-mail:jiangripeng@163.com ABSTRACT Since the development of the aviation industry,improving the flight performance and reducing the weight of aircrafts has always been the goal pursued by aviation designers.Therefore,it becomes increasingly important to develop a new alloy material with high hardness,high strength,and light weight.To obtain excellent mechanical properties and good corrosion resistance,a new kind of alloy material,Z1205A alloy,was developed by the Beijing Institute of Aerial Materials (BAM)in the 1960s.Owing to its favorable mechanical properties and excellent corrosion resistance,Z1205A alloy has been well applied in the aviation industry.However,this kind of Al alloy still possesses some undesirable solidification defects:shrinkage,porosities,coarsening grains,and solute segregation. Ultrasonic melt treatment (UST)provides a means to eliminate or modify these defects.In the present work,the effects of UST on Z1205A alloy were investigated for two conditions,i.e.,before casting and during solidification in ambient environment.Then,the effects of ultrasonication on the as-cast microstructures and the tensile properties were accordingly characterized and analyzed.For the case in which UST was only introduced before casting (holding temperature at 750 C),degassing and the distribution of secondary phases were modified.For the case in which UST was only introduced when cooling from 750 C for 7 min 10s to about 650 C,grain re- 收稿日期：2018-07-16 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51575539)：湖南省自然科学基金资助项目(2017B391):湖南省科技重大专项资助项目 (2016GK1004)
工程科学学报,第 41 卷,第 8 期:1007鄄鄄1015,2019 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 8: 1007鄄鄄1015, August 2019 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2019. 08. 006; http: / / journals. ustb. edu. cn 超声外场对不同温控状态下 ZL205A 铝合金凝固规律 的影响 商 兵1,2) , 蒋日鹏2,3) 苣 , 李晓谦1,2) , 李瑞卿2,3) , 张 昀2,3) , 张立华1,2) 1)中南大学机电工程学院, 长沙 410083 2)中南大学轻合金研究院, 长沙 410083 3)中南大学高性能复杂制造国家重点实验室, 长沙 410083 苣通信作者, E鄄mail: jiangripeng@ 163. com 摘 要 采用不同的超声外场处理熔体工艺,研究了其对铸锭质量的作用机理与改善效果. 针对保温(750 益 )和空冷(从 750 益 空冷 7 min 10 s 至约 650 益 )两种不同温控状态下的 ZL205A 铝合金熔体,分别进行相同参数的超声场处理,研究超声场对凝 固组织的影响规律,并利用力学拉伸实验进行验证. 研究结果表明:在保温状态下对熔体施加超声处理,具有较好的除气与改 善第二相组织分布的效果;在空冷状态下施加超声处理则可以消除集中缩孔,显著细化晶粒;当在保温和空冷条件下全程采 用超声处理,铸锭内部质量的改善效果最佳. 力学性能的测试结果与铸锭凝固组织的变化规律具有一致性,验证了上述结论. 综上,对不同温控状态下的熔体施加超声处理,对熔体凝固过程的影响不同,对铸锭内部质量的改善效果也各有侧重. 关键词 超声波处理; ZL205A 铝合金; 补缩性能; 凝固组织; 熔体 分类号 TG249郾 9 收稿日期: 2018鄄鄄07鄄鄄16 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 51575539 ); 湖南省自然科学基金资助项目 ( 2017JJ3391 ); 湖南省科技重大 专 项 资 助 项 目 (2016GK1004) Effect of ultrasonic outfield on solidification rules of ZL205A aluminum alloy under different temperature鄄control states SHANG Bing 1,2) , JIANG Ri鄄peng 2,3) 苣 , LI Xiao鄄qian 1,2) , LI Rui鄄qing 2,3) , ZHANG Yun 2,3) , ZHANG Li鄄hua 1,2) 1) College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China 2) Light Alloy Research Institute, Central South University, Changsha 410083, China 3) State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China 苣Corresponding author, E鄄mail: jiangripeng@ 163. com ABSTRACT Since the development of the aviation industry, improving the flight performance and reducing the weight of aircrafts has always been the goal pursued by aviation designers. Therefore, it becomes increasingly important to develop a new alloy material with high hardness, high strength, and light weight. To obtain excellent mechanical properties and good corrosion resistance, a new kind of alloy material, ZL205A alloy, was developed by the Beijing Institute of Aerial Materials (BAM) in the 1960s. Owing to its favorable mechanical properties and excellent corrosion resistance, ZL205A alloy has been well applied in the aviation industry. However, this kind of Al alloy still possesses some undesirable solidification defects: shrinkage, porosities, coarsening grains, and solute segregation. Ultrasonic melt treatment (UST) provides a means to eliminate or modify these defects. In the present work, the effects of UST on ZL205A alloy were investigated for two conditions, i. e. , before casting and during solidification in ambient environment. Then, the effects of ultrasonication on the as鄄cast microstructures and the tensile properties were accordingly characterized and analyzed. For the case in which UST was only introduced before casting ( holding temperature at 750 益 ), degassing and the distribution of secondary phases were modified. For the case in which UST was only introduced when cooling from 750 益 for 7 min 10 s to about 650 益 , grain re鄄
·1008· 工程科学学报，第41卷，第8期 finement and reduced porosities were generated.When UST was continuously employed for both conditions,the above properties were further improved compared with those of ingots without ultrasonic treatment.The mechanical tensile test results show that the improve- ment of the ingot internal structure can improve the ingot mechanical tensile properties,which proves the correctness of the above re- search results.Thus,UST carried out at two different conditions induced different regulatory functions and influencing mechanisms. This study shows that the UST of ZL205A aluminum alloy in different melt states has different emphases on improving the internal struc- ture of the ingot. KEY WORDS ultrasonic treatment;Z1205A aluminum alloy;shrinkage performance;solidification structure;melt ZL205A铝合金是一种性能优异的铝合金材料， 子试验机等 经过热处理后该铝合金屈服强度可达500MPa,是 1.2实验过程 目前综合力学性能最高的一种铝合金)，因此 取4块质量约为1200g的ZL205A坯锭分别放 ZL205A铝合金受到很多航空器设计师和武器设计 入4个坩埚中，并分别编号为1~4号，然后将坩埚 师的青睐2-].但该铝合金在工业应用方面受到合 放入电阻炉中进行合金熔炼，熔炼温度设为750℃， 金元素种类多、成分范围窄、结晶温度范围宽等因素 熔炼时间200mim,待铝块完全熔化后进行精炼扒渣 制约，而在制备大型铸件时伴随铸件尺寸的增大，出 处理，精炼完毕后进行730℃保温处理30mim. 现了成分偏析和组织疏松缩孔等问题[4-]，这些问 1号坩埚在保温处理结束后取出，空冷（将坩埚 题严重制约着该材料在航空航天领域的推广. 取出放置在空气中冷却)至熔体温度降到650℃时 现有研究表明，超声外场调控铸锭凝固可以有 进行水冷（铝熔体冷却至650℃所用时间t=7min 效促进熔体中溶质再分配，去除熔体中溶解的气体， 10s),冷却至常温后取出铸锭，整个过程中不加入 细化铸锭晶粒，还能减少合金成分偏析和组织疏松 任何超声处理，铸锭标记为1” 等铸造缺陷，有利于提升铝合金铸锭品质4.7-8]：而 2号坩埚在保温过程后半段（后半段保温温度 且超声波铸造技术操作方便、成本低廉、使用技术门 稳定)加入功率300±20W,频率为20000±50Hz的 槛低.本文将参考该技术思路，针对ZL205A铝合金 超声处理20min(称超声预处理)，其他处理条件与 研究超声外场对其不同熔体状态下的凝固规律的影 1相同（空冷时长为t时水冷），铸锭标记为2 响，分析超声作用机理，最大程度地发挥超声冶金的 3号坩埚在空冷过程前半段加人功率300±20 效果，并为ZL205A铝合金铸件质量的提升提供工 W,频率为20000±50Hz的超声处理6min(称空冷 艺参考 超声处理)，其他实验条件与1相同（空冷加超声处 1实验材料和过程 理总时长为t时水冷)，铸锭标记为3 4号坩埚在保温过程中加入与2相同的超声波 1.1实验材料及设备 处理，在空冷过程中加入与3相同的超声处理，（空 实验选取ZL205A铝合金坯锭，切割成块状进 冷加超声处理总时长为t时水冷)，铸锭标记为4. 行二次熔炼，其成分如表1所示] 图1为实验装置示意图，表2为铸锭处理工艺 表1实验用ZL205A铝合金材料成分（质量分数） 对照表，将铸锭从中间切开，在铸锭芯部取样，经过 Table 1 Aluminum alloy composition of Z1205A in experiment% 超声换能器 Cu Mn Ti Cd V Zr Zn Al 定位法兰盘 4.90.480.20.190.120.080.08余量 升降操作台 实验设备主要为超声设备、辅助设备、检测设 超声辐射杆 备.其中超声设备为超声波电源控制系统1台（其 石墨坩埚 输出功率有级可调，输出频率为20kHz±0.5kHz), 铝熔体 超声振动系统1套（主要包括PZT压电陶瓷换能 器，变幅杆和钛合金辐射杆)：辅助设备为电阻丝加 耐火砖 热炉及温度控制记录仪、液压式位移操作台、K型热 电阻炉 电偶、线切割设备以及石墨坩埚若干：检测设备为 图1实验装置示意图 Leica台式金相显微镜、TESCAN扫描电镜、万能电 Fig.I A schematic diagram of the experimental device
工程科学学报,第 41 卷,第 8 期 finement and reduced porosities were generated. When UST was continuously employed for both conditions, the above properties were further improved compared with those of ingots without ultrasonic treatment. The mechanical tensile test results show that the improve鄄 ment of the ingot internal structure can improve the ingot mechanical tensile properties, which proves the correctness of the above re鄄 search results. Thus, UST carried out at two different conditions induced different regulatory functions and influencing mechanisms. This study shows that the UST of ZL205A aluminum alloy in different melt states has different emphases on improving the internal struc鄄 ture of the ingot. KEY WORDS ultrasonic treatment; ZL205A aluminum alloy; shrinkage performance; solidification structure; melt ZL205A 铝合金是一种性能优异的铝合金材料, 经过热处理后该铝合金屈服强度可达 500 MPa,是 目前综 合 力 学 性 能 最 高 的 一 种 铝 合 金[1] , 因 此 ZL205A 铝合金受到很多航空器设计师和武器设计 师的青睐[2鄄鄄3] . 但该铝合金在工业应用方面受到合 金元素种类多、成分范围窄、结晶温度范围宽等因素 制约,而在制备大型铸件时伴随铸件尺寸的增大,出 现了成分偏析和组织疏松缩孔等问题[4鄄鄄6] ,这些问 题严重制约着该材料在航空航天领域的推广. 现有研究表明,超声外场调控铸锭凝固可以有 效促进熔体中溶质再分配,去除熔体中溶解的气体, 细化铸锭晶粒,还能减少合金成分偏析和组织疏松 等铸造缺陷,有利于提升铝合金铸锭品质[4,7鄄鄄8] ;而 且超声波铸造技术操作方便、成本低廉、使用技术门 槛低. 本文将参考该技术思路,针对 ZL205A 铝合金 研究超声外场对其不同熔体状态下的凝固规律的影 响,分析超声作用机理,最大程度地发挥超声冶金的 效果,并为 ZL205A 铝合金铸件质量的提升提供工 艺参考. 1 实验材料和过程 1郾 1 实验材料及设备 实验选取 ZL205A 铝合金坯锭,切割成块状进 行二次熔炼,其成分如表 1 所示[7] . 表 1 实验用 ZL205A 铝合金材料成分(质量分数) Table 1 Aluminum alloy composition of ZL205A in experiment % Cu Mn Ti Cd V Zr Zn Al 4郾 9 0郾 48 0郾 2 0郾 19 0郾 12 0郾 08 0郾 08 余量 实验设备主要为超声设备、辅助设备、检测设 备. 其中超声设备为超声波电源控制系统 1 台(其 输出功率有级可调,输出频率为 20 kHz 依 0郾 5 kHz), 超声振动系统 1 套(主要包括 PZT 压电陶瓷换能 器,变幅杆和钛合金辐射杆);辅助设备为电阻丝加 热炉及温度控制记录仪、液压式位移操作台、K 型热 电偶、线切割设备以及石墨坩埚若干;检测设备为 Leica 台式金相显微镜、TESCAN 扫描电镜、万能电 子试验机等. 1郾 2 实验过程 取 4 块质量约为 1200 g 的 ZL205A 坯锭分别放 入 4 个坩埚中,并分别编号为 1 ~ 4 号,然后将坩埚 放入电阻炉中进行合金熔炼,熔炼温度设为 750 益 , 熔炼时间 200 min,待铝块完全熔化后进行精炼扒渣 处理,精炼完毕后进行 730 益保温处理 30 min. 1 号坩埚在保温处理结束后取出,空冷(将坩埚 取出放置在空气中冷却)至熔体温度降到 650 益 时 进行水冷(铝熔体冷却至 650 益 所用时间 t = 7 min 10 s),冷却至常温后取出铸锭,整个过程中不加入 任何超声处理,铸锭标记为 1 # . 2 号坩埚在保温过程后半段(后半段保温温度 稳定)加入功率 300 依 20 W,频率为 20000 依 50 Hz 的 超声处理 20 min(称超声预处理),其他处理条件与 1 相同(空冷时长为 t 时水冷),铸锭标记为 2 # . 3 号坩埚在空冷过程前半段加入功率 300 依 20 W,频率为 20000 依 50 Hz 的超声处理 6 min(称空冷 超声处理),其他实验条件与 1 相同(空冷加超声处 理总时长为 t 时水冷),铸锭标记为 3 # . 4 号坩埚在保温过程中加入与 2 相同的超声波 处理,在空冷过程中加入与 3 相同的超声处理,(空 冷加超声处理总时长为 t 时水冷),铸锭标记为 4 # . 图 1 实验装置示意图 Fig. 1 A schematic diagram of the experimental device 图 1 为实验装置示意图,表 2 为铸锭处理工艺 对照表,将铸锭从中间切开,在铸锭芯部取样,经过 ·1008·
商兵等：超声外场对不同温控状态下ZL205A铝合金凝固规律的影响 ·1009· 研磨和抛光后，利用keller试剂进行浸蚀后冲洗、吹 观地看出铸锭1和铸锭2"出现了缩孔现象，其中铸 干、标记，使用金相显微镜和扫描电镜Scanning 锭2"较铸锭1"出现的缩孔小铸锭3和铸锭4无 Electron Microscope(SEM)观察分析凝固组织，并在 明显缩孔 每个铸锭中取四个样本做力学拉伸实验，用以验证 相关文献报道超声波在液体中传播会产生超声 实验结果.为防止工具探头对铝熔体的激冷作用， 热效应9-0].当温度在液相线以上670~645℃间 将超声杆工具头，测温仪工具头在接触铝熔体前预 铝熔体温度升较明显[).这是由于超声波在熔体传 热至600℃：为减小移除超声杆时引起的铝熔体的 播过程中，熔体吸收超声纵向波，且超声外场加剧熔 波动，同时保持一定的浸入深度让超声杆工具头穿 体间内摩擦，导致熔体升温.当熔体温度下降时，黏 过铝熔体表面的氧化膜，工具头浸入熔体深度为5mm. 度上升，超声加剧熔体内摩擦的现象更明显，所以空 表2铸锭处理工艺对照表 冷过程的熔体中超声热效应较保温过程的熔体中更 Table 2 Comparison of experimental samples 强，因此铸锭3·和4在水冷之前的温度略高于铸锭 铸锭编号 超声预处理 空冷超声处理 1"和2，导致铸锭3"和4在水冷时的实际温度梯度 1 也略大于1"和2”.当熔体凝固过程中若温度梯度太 2 时长20min 小时，芯部熔体流动性不足，因凝固收缩带来的熔体 3 时长6min 4 时长20min 时长6mim 内空隙会无法得到新的熔体补充而产生缩孔口. 目前应用最为广泛的缩松缩孔判据函数为Ny 2实验结果与分析 ama函数f) (1) 2.1铸锭宏观形貌及超声对熔体凝固补缩性能的 影响分析 式中，G为凝固温度梯度值，V为冷却速度值，A为临 图2为铸锭宏观组织形貌图，从图2中可以直 界常数 (a) (b) 缩孔 缩孔 161711920211113241521729301313 07移9912224活2净7913U845 100mm 100mm c (d) 5161718192011122524244111n293推3111 51617189#2122133425202725293033233 100mt 100mm 图2铸锭内部宏观形貌图.(a)1铸锭：(b)2*铸锭：(c)3*铸锭：(d)4*铸锭 Fig.2 Macroscopic morphology of as-cast ingot:(a)1 ingot;(b)2 ingot;(c)3 ingot;(d)4 ingot
商 兵等: 超声外场对不同温控状态下 ZL205A 铝合金凝固规律的影响 研磨和抛光后,利用 keller 试剂进行浸蚀后冲洗、吹 干、标记, 使用 金 相 显 微 镜 和 扫 描 电 镜 Scanning Electron Microscope(SEM)观察分析凝固组织,并在 每个铸锭中取四个样本做力学拉伸实验,用以验证 实验结果. 为防止工具探头对铝熔体的激冷作用, 将超声杆工具头,测温仪工具头在接触铝熔体前预 热至 600 益 ;为减小移除超声杆时引起的铝熔体的 波动,同时保持一定的浸入深度让超声杆工具头穿 过铝熔体表面的氧化膜,工具头浸入熔体深度为5 mm. 表 2 铸锭处理工艺对照表 Table 2 Comparison of experimental samples 铸锭编号 超声预处理 空冷超声处理 1 # 2 # 时长 20 min 3 # 时长 6 min 4 # 时长 20 min 时长 6 min 图 2 铸锭内部宏观形貌图 郾 (a) 1 #铸锭; (b) 2 #铸锭; (c) 3 #铸锭; (d) 4 #铸锭 Fig. 2 Macroscopic morphology of as鄄cast ingot: (a) 1 # ingot; (b) 2 # ingot; (c) 3 # ingot; (d) 4 # ingot 2 实验结果与分析 2郾 1 铸锭宏观形貌及超声对熔体凝固补缩性能的 影响分析 图 2 为铸锭宏观组织形貌图,从图 2 中可以直 观地看出铸锭 1 #和铸锭 2 #出现了缩孔现象,其中铸 锭 2 #较铸锭 1 #出现的缩孔小. 铸锭 3 #和铸锭 4 #无 明显缩孔. 相关文献报道超声波在液体中传播会产生超声 热效应[9鄄鄄10] . 当温度在液相线以上 670 ~ 645 益 间 铝熔体温度升较明显[9] . 这是由于超声波在熔体传 播过程中,熔体吸收超声纵向波,且超声外场加剧熔 体间内摩擦,导致熔体升温. 当熔体温度下降时,黏 度上升,超声加剧熔体内摩擦的现象更明显,所以空 冷过程的熔体中超声热效应较保温过程的熔体中更 强,因此铸锭 3 #和 4 #在水冷之前的温度略高于铸锭 1 #和 2 # ,导致铸锭 3 #和 4 #在水冷时的实际温度梯度 也略大于 1 #和 2 # . 当熔体凝固过程中若温度梯度太 小时,芯部熔体流动性不足,因凝固收缩带来的熔体 内空隙会无法得到新的熔体补充而产生缩孔[1] . 目前应用最为广泛的缩松缩孔判据函数为 Niy鄄 ama 函数[11] G V > A (1) 式中,G 为凝固温度梯度值,V 为冷却速度值,A 为临 界常数. ·1009·
·1010· 工程科学学报，第41卷，第8期 当Niyama函数值小于临界常数A时，铸锭就会 尺寸比空冷未加超声处理的铸锭更加均匀细小，对 出现缩松缩孔现象.从该表达式中可以看出，当凝 比图3(a)和图3(b)可知，施加超声预处理的铸锭 固温度梯度G值增大时，函数值Niyama函数值也增 品粒尺寸比未施加超声预处理的铸锭更均匀细小 大，而本实验中铸锭采取的是都是相同的冷却方式， 目前研究表明，超声空化效应是铸锭凝固组织 则冷却速度V为定值，所以当凝固温度梯度G>G 细化的主要作用机制，超声空化作用即超声场中的 (Gn为冷却速度V为定值、Niyama函数值等于A时 液态熔体在周期性交变声压的作用下产生大量的空 的凝固温度梯度值)时铸锭无缩孔现象综上可知： 化泡，这些空化泡在长大过程中，由于尺寸的迅速增 在熔体液相线以上较低的温度区间施加超声外场可 大，其内部熔体蒸发，然后吸收周围的热量，导致其 有效改善铸锭缩孔现象 附近熔体迅速过冷，诱发结晶，形成大量晶核 2.2微观组织形貌与超声处理效果分析 超声预处理温度保持在730℃，温度较高，超声处理 2.2.1铸锭晶粒等级划分结果和超声细化晶粒效 结束后，已形成的大量品核又重新溶解在熔体中，所 果分析 以晶粒细化效果不明显，但是由于超声的声流效应 图3是铸锭品粒组织检测结果，由图可知施加 能够促进溶质再分配，尤其是具有细品强化作用的 超声预处理的铸锭微观组织疏松缺陷明显少于未施 T原子的再分配)，导致超声预处理俦锭的晶粒组 加超声处理的铸锭.空冷加超声预处理的铸锭晶粒 织得到改善：在空冷过程中超声持续作用，且超声处 a 200Hm 200um 200Hm 200m 200 e 60 120 吃 1 特锭编号 图3晶粒组织及平均直径.(a)1铸锭：(b)2铸锭：(c)3*铸锭：(d)4铸锭：(e)品粒平均直径柱状图 Fig.3 Structures and average diameter of grain:(a)1*ingot;(b)2*ingot;(c)3*ingot;(d)4*ingot;(e)the histogram of average grain sizes
工程科学学报,第 41 卷,第 8 期 当 Niyama 函数值小于临界常数 A 时,铸锭就会 出现缩松缩孔现象. 从该表达式中可以看出,当凝 固温度梯度 G 值增大时,函数值 Niyama 函数值也增 大,而本实验中铸锭采取的是都是相同的冷却方式, 则冷却速度 V 为定值,所以当凝固温度梯度 G > G0 (G0为冷却速度 V 为定值、Niyama 函数值等于 A 时 的凝固温度梯度值)时铸锭无缩孔现象. 综上可知: 在熔体液相线以上较低的温度区间施加超声外场可 有效改善铸锭缩孔现象. 2郾 2 微观组织形貌与超声处理效果分析 2郾 2郾 1 铸锭晶粒等级划分结果和超声细化晶粒效 果分析 图 3 晶粒组织及平均直径 郾 (a) 1 #铸锭; (b) 2 #铸锭; (c) 3 #铸锭; (d) 4 #铸锭; (e) 晶粒平均直径柱状图 Fig. 3 Structures and average diameter of grain: (a) 1 # ingot; (b) 2 # ingot; (c) 3 # ingot; (d) 4 # ingot; (e) the histogram of average grain sizes 图 3 是铸锭晶粒组织检测结果,由图可知施加 超声预处理的铸锭微观组织疏松缺陷明显少于未施 加超声处理的铸锭. 空冷加超声预处理的铸锭晶粒 尺寸比空冷未加超声处理的铸锭更加均匀细小,对 比图 3(a)和图 3(b)可知,施加超声预处理的铸锭 晶粒尺寸比未施加超声预处理的铸锭更均匀细小. 目前研究表明,超声空化效应是铸锭凝固组织 细化的主要作用机制, 超声空化作用即超声场中的 液态熔体在周期性交变声压的作用下产生大量的空 化泡,这些空化泡在长大过程中,由于尺寸的迅速增 大,其内部熔体蒸发,然后吸收周围的热量,导致其 附近熔体迅速过冷,诱发结晶,形成大量晶核[12] . 超声预处理温度保持在 730 益 ,温度较高,超声处理 结束后,已形成的大量晶核又重新溶解在熔体中,所 以晶粒细化效果不明显,但是由于超声的声流效应 能够促进溶质再分配,尤其是具有细晶强化作用的 Ti 原子的再分配[13] ,导致超声预处理铸锭的晶粒组 织得到改善;在空冷过程中超声持续作用,且超声处 ·1010·
商兵等：超声外场对不同温控状态下ZL205A铝合金凝固规律的影响 ·1011· 理结束时熔体温度为650℃左右，已接近ZIL205A铝 (如图5(b)所示)，这两种机制导致空化泡不断吸 合金的熔点，所以超声空化效应产生的晶核仍有一 氢膨胀，然后形成更大的气泡从熔体中上浮逸出] 部分存在熔体内，使得空冷超声处理的熔体在凝固 (如图5(c)所示) 时熔体内的晶核数量较超声预处理的熔体多，因此 保温状态下超声预处理实验中，施加超声的时 晶粒细化效果更好 间为20min,而空冷超声预处理实验中超声的施加 2.2.2气孔观测结果与分析 时间为6min,超声处理时间越长，越有利于氢气从 图4为铸锭气孔等级柱状图，从图中可以看出 熔体中逸出，且保温状态下铝熔体温度更高，根据 经过超声预处理的铸锭气孔等级下降了1~2级，这 Arrheniu公式a]可知 一结果证明了超声预处理具有良好的除气效果，已 刀sCe0 (2) 知铝熔体中溶解的气体80%以上为氢气，所以将除 式中，)为动力黏度，C为频率因子，E,为黏流活化 气过程近似看成除氢过程，而铝熔体中未除掉的氢 能，R为气体常数，T为熔体绝对温度 气则以气孔或疏松（如图3(a)和图3(c)所示）的形 由上式可知当熔体温度升高时，熔体动力黏度 式存在于铸锭内[)] 下降.目前的研究表明，温度的提高，不仅降低铝熔 P 体的黏度，还会降低铝熔体的表面张力，有利于空化 效应的产生，且会加大空化效应幅值].当熔体温 度从730℃下降至650℃时，超声空化效应减弱，除 气效果下降，且熔体动力黏度和表面张力的上升不 利于已形成的气泡从熔体中上浮逸出，所以超声预 处理对熔体有更好的除气效果.铸锭3和4"由于在 移除超声杆时液面发生轻微波动，且熔体表面氧化 膜的完整性被破坏，导致新的气体卷入熔体，因此气 孔数量增多（铸锭4气孔数量相较于铸锭2也有小 2 铸錠编号 幅增加，但增幅较小，气孔等级仍为3) 2.2.3第二相组织检测结果与分析 图4气孔等级柱状图 Fig.4 Histogram of porosity distribution 图6为铸锭微观组织形貌图，从图中可以看出 经过超声处理的铸锭第二相组织分布情况明显得到 图5为超声除气原理示意图，超声波产生的空 改善，分析对比图6(a)和6(b),图6(c)和6(d)可 化泡在铝熔体中会不断膨胀，空化泡内压强骤降，铝 知经过超声预处理的铸锭第二相组织聚集的现象也 熔体中溶解的气体由于分压差作用扩散到空化泡内 得到改善.图6()为第二相组织占全图面积比例 (如图5(a)所示)，同时膨胀的空化泡壁面为熔体 柱状图，由图6()中可知超声波处理可以有效减少 中游离的氢原子提供大量附着点，吸附在空化泡壁 铸锭的第二相组织析出，尤其是超声波预处理减少 上的氢原子相互结合形成氢气然后融入空化泡中 第二相组织析出的效果更加明显. 知 fej H 熔体中溶解 熔体中游离 H+H=H, 的氢气 的氢原子 H H 膨胀的 H 空化泡 H 图5超声波除气原理示意图.(a)空化泡体积膨胀：(b)吸氢成为气泡：（©）氢气逸出 Fig.5 Schematic illustration of ultrasonic degassing:(a)volume expansion of cavitation bubble;(b)hydrogen absorption as bubbles;(c)hydro- gen evolution
商 兵等: 超声外场对不同温控状态下 ZL205A 铝合金凝固规律的影响 理结束时熔体温度为 650 益左右,已接近 ZL205A 铝 合金的熔点,所以超声空化效应产生的晶核仍有一 部分存在熔体内,使得空冷超声处理的熔体在凝固 时熔体内的晶核数量较超声预处理的熔体多,因此 晶粒细化效果更好. 2郾 2郾 2 气孔观测结果与分析 图 4 为铸锭气孔等级柱状图,从图中可以看出 经过超声预处理的铸锭气孔等级下降了 1 ~ 2 级,这 一结果证明了超声预处理具有良好的除气效果,已 知铝熔体中溶解的气体 80% 以上为氢气,所以将除 气过程近似看成除氢过程,而铝熔体中未除掉的氢 气则以气孔或疏松(如图 3(a)和图 3(c)所示)的形 式存在于铸锭内[7] . 图 4 气孔等级柱状图 Fig. 4 Histogram of porosity distribution 图 5 超声波除气原理示意图 郾 (a) 空化泡体积膨胀; (b) 吸氢成为气泡; (c) 氢气逸出 Fig. 5 Schematic illustration of ultrasonic degassing: (a) volume expansion of cavitation bubble; (b) hydrogen absorption as bubbles; (c) hydro鄄 gen evolution 图 5 为超声除气原理示意图,超声波产生的空 化泡在铝熔体中会不断膨胀,空化泡内压强骤降,铝 熔体中溶解的气体由于分压差作用扩散到空化泡内 (如图 5( a) 所示),同时膨胀的空化泡壁面为熔体 中游离的氢原子提供大量附着点,吸附在空化泡壁 上的氢原子相互结合形成氢气然后融入空化泡中 (如图 5( b)所示),这两种机制导致空化泡不断吸 氢膨胀,然后形成更大的气泡从熔体中上浮逸出[7] (如图 5(c)所示). 保温状态下超声预处理实验中,施加超声的时 间为 20 min,而空冷超声预处理实验中超声的施加 时间为 6 min,超声处理时间越长,越有利于氢气从 熔体中逸出,且保温状态下铝熔体温度更高,根据 Arrheniu 公式[14]可知 浊 = Ce E浊 RT (2) 式中,浊 为动力黏度,C 为频率因子,E浊为黏流活化 能,R 为气体常数,T 为熔体绝对温度. 由上式可知当熔体温度升高时,熔体动力黏度 下降. 目前的研究表明,温度的提高,不仅降低铝熔 体的黏度,还会降低铝熔体的表面张力,有利于空化 效应的产生,且会加大空化效应幅值[15] . 当熔体温 度从 730 益下降至 650 益时,超声空化效应减弱,除 气效果下降,且熔体动力黏度和表面张力的上升不 利于已形成的气泡从熔体中上浮逸出,所以超声预 处理对熔体有更好的除气效果. 铸锭 3 #和 4 #由于在 移除超声杆时液面发生轻微波动,且熔体表面氧化 膜的完整性被破坏,导致新的气体卷入熔体,因此气 孔数量增多(铸锭 4 #气孔数量相较于铸锭 2 #也有小 幅增加,但增幅较小,气孔等级仍为 3). 2郾 2郾 3 第二相组织检测结果与分析 图 6 为铸锭微观组织形貌图,从图中可以看出 经过超声处理的铸锭第二相组织分布情况明显得到 改善,分析对比图 6(a)和 6(b),图 6(c)和 6(d)可 知经过超声预处理的铸锭第二相组织聚集的现象也 得到改善. 图 6( e)为第二相组织占全图面积比例 柱状图,由图 6(e)中可知超声波处理可以有效减少 铸锭的第二相组织析出,尤其是超声波预处理减少 第二相组织析出的效果更加明显. ·1011·
.1012. 工程科学学报，第41卷，第8期 a b 200μm 200um (d) +自 200μm 200um 15r (e) 12 铸锭编号 图6铸锭组织微观形貌及第二相组织占比图.(a)1*铸锭：(b)2铸锭：(c)3铸锭：(d)4铸锭：（©）第二相组织占全图面积比例柱状图 Fig.6 Micromorphology of ingot structure and proportion of second phase structure area:(a)1 ingot;(b)2 ingot;(c)3 ingot;(d)4 ingot; (e)second phase organization accounts for the total area ratio of the histogram 图7为普通共晶组织组织和粗大共晶组织扫描 共晶组织第二相组织聚集是由C山原子偏析导致 电镜形貌和能谱图.由能谱图原子配比结合A-Cu- 的观点. Mn三元相图[6]和李瑞卿等[的研究，可以确定铸 超声声流效应具有促进溶质再分配的作用，因 件的共晶组织最主要的是α(Al)+0(AL,Cu)(其中 为一定能量的超声波传递过程中必然发生衰减，反 0(AL,Cu)是第二相组织的最主要成分).从图7可 映在声压上就是从工具头沿声波传递方向形成声压 以看出，两种形态的共晶组织成分基本相同，Al和 梯度，因此顺着声压梯度方向引发熔体环流，形成了 Cu的原子比接近1：4（其中包含α(A1)),因此可以 类似于搅拌的效果】，进而促进溶质原子分配均 推断粗大的第二相组织成分和普通第二相组织也 匀，减少Cu和Al形成的金属间化合物AL,Cu在晶 基本相同.同时共晶组织Al和Cu的原子比远远 界上偏析聚集[8]，最后在晶界上形成粗大的第二相 超出铸锭中Al与Cu的原子比，这与曹飞等[]，李 相组织.同时由于C山原子更加分散，使得溶解在铝 瑞卿等[的研究结果基本相同，同时验证了粗大 熔体中Cu的整体的量更多，最后整体析出的A山，Cu
工程科学学报,第 41 卷,第 8 期 图 6 铸锭组织微观形貌及第二相组织占比图 郾 (a) 1 #铸锭; (b) 2 #铸锭; (c) 3 #铸锭; (d) 4 #铸锭; (e) 第二相组织占全图面积比例柱状图 Fig. 6 Micromorphology of ingot structure and proportion of second phase structure area: (a) 1 # ingot; (b) 2 # ingot; (c) 3 # ingot; (d) 4 # ingot; (e) second phase organization accounts for the total area ratio of the histogram 图 7 为普通共晶组织组织和粗大共晶组织扫描 电镜形貌和能谱图. 由能谱图原子配比结合 Al鄄鄄 Cu鄄鄄 Mn 三元相图[16]和李瑞卿等[17] 的研究,可以确定铸 件的共晶组织最主要的是 琢(Al) + 兹(Al 2Cu)(其中 兹(Al 2Cu)是第二相组织的最主要成分). 从图 7 可 以看出,两种形态的共晶组织成分基本相同,Al 和 Cu 的原子比接近 1颐 4(其中包含 琢(Al)),因此可以 推断粗大的第二相组织成分和普通第二相组织也 基本相同. 同时共晶组织 Al 和 Cu 的原子比远远 超出铸锭中 Al 与 Cu 的原子比,这与曹飞等[7] ,李 瑞卿等[17]的研究结果基本相同,同时验证了粗大 共晶组织第二相组织聚集是由 Cu 原子偏析导致 的观点. 超声声流效应具有促进溶质再分配的作用,因 为一定能量的超声波传递过程中必然发生衰减,反 映在声压上就是从工具头沿声波传递方向形成声压 梯度,因此顺着声压梯度方向引发熔体环流,形成了 类似于搅拌的效果[12] ,进而促进溶质原子分配均 匀,减少 Cu 和 Al 形成的金属间化合物 Al 2 Cu 在晶 界上偏析聚集[18] ,最后在晶界上形成粗大的第二相 相组织. 同时由于 Cu 原子更加分散,使得溶解在铝 熔体中 Cu 的整体的量更多,最后整体析出的 Al 2Cu ·1012·
商兵等：超声外场对不同温控状态下ZL205A铝合金凝固规律的影响 ·1013· (a) 扫描位置 A1原子数分数81.04% Cu原子数分数：18.96% Cu 01 2 3 456 7 8910 能量keV 504m (c) 扫描位置 A1原子数分数82.87% Cu原子数分数：17.13% Cu 01 2 3 45678910 50m 能量keV 图7普通共品组织和粗大共品组织扫描电镜形貌和能谱图.(a)普通共晶组织：(b)普通共品组织能谱：（©）粗大共品组织：(d)粗大 共品组织能谱 Fig.7 SEM morphology and EDS spectra of common second-phase and coarse copolymer structures:(a)ordinary eutectic structure;(b)EDS spec- trum of common eutectic structure;(c)coarse eutectic structure;(d)gross eutectic EDS spectrum 的量更少，因此经过超声处理的铸样第二相组织更 得出铸锭2、3”4相较于1”，平均抗拉强度分别增 加细小分散，整体析出量更少 加了18%、40%、55%，平均屈服强度分别增加了 根据斯托克斯-爱因斯坦方程]可知： 14%、49%、70%.图8(b)为平均延伸率柱状图，由 图8(b)可知，经过超声预处理的铸锭2和4延伸 D1= kT 6Tm (3) 率大于未经超声预处理的铸锭1"和3. kT2 由图3(e)可知，晶粒平均直径1">2”>4"> D2=6wm2 (4) 3",根据Hal-Petch公式9]可知： 式中：D2、T2、2分别为温度650℃时熔体自然扩散 0,=0。+ (6) 系数、绝对温度、动力黏度；D,、T1、,分别为730℃ va 时熔体自然扩散系数、绝对温度、动力黏度：k为波 式中，σ，为屈服应力，σ。为移动单个位错所需克服 尔茨曼常数：r为假想刚性球半径. 的点阵摩擦力，K为常数，d为晶粒平均直径 由式(3)和(4)可得： 由上式可知晶粒尺寸越小，金属的屈服强度越 D:_T2m 高.由图3和图6可知未经过超声预处理的铸锭1· D.Tin (5) 和3"存在组织疏松、气孔、粗大第二相组织等组织 上述计算结果表明当熔体温度降低时，熔体自 缺陷，这些疏松和气孔等内部缺陷在拉伸断裂时成 然扩散系数下降.显然，自然扩散系数的大幅降低 为断裂源，导致材料内部微裂纹较多且扩展较快，材 不利于溶质原子（主要是C)的扩散，且温度降低还 料过早断裂，强度较低：而第二相组织的分布也会影 导致超声空化效应的减弱]，超声预处理比空冷超 响拉伸强度，脆性第二相大多分布在晶界上，减少品 声处理实验温度更高，处理时间更长，因此有更好的 界对拉伸微裂纹扩展的阻力，使得断裂韧度降低，同 促进溶质再分配的作用. 样导致材料过早的脆性断裂).所以拉伸实验预期 2.3力学拉伸实验结果及分析 结果为拉伸强度4”>3>2>1"，延伸率4">2> 图8为力学拉伸实验结果，由图8(a)可以计算 3”>1.对比图8可知，拉伸试验结果基本符合预期
商 兵等: 超声外场对不同温控状态下 ZL205A 铝合金凝固规律的影响 图 7 普通共晶组织和粗大共晶组织扫描电镜形貌和能谱图 郾 (a) 普通共晶组织; (b) 普通共晶组织能谱; (c)粗大共晶组织; ( d) 粗大 共晶组织能谱 Fig. 7 SEM morphology and EDS spectra of common second鄄phase and coarse copolymer structures: (a) ordinary eutectic structure; (b) EDS spec鄄 trum of common eutectic structure; (c) coarse eutectic structure; (d) gross eutectic EDS spectrum 的量更少,因此经过超声处理的铸样第二相组织更 加细小分散,整体析出量更少. 根据斯托克斯鄄鄄爱因斯坦方程[14]可知: D1 = kT1 6仔r浊1 (3) D2 = kT2 6仔r浊2 (4) 式中:D2 、T2 、浊2分别为温度 650 益 时熔体自然扩散 系数、绝对温度、动力黏度;D1 、T1 、浊1分别为 730 益 时熔体自然扩散系数、绝对温度、动力黏度;k 为波 尔茨曼常数;r 为假想刚性球半径. 由式(3)和(4)可得: D2 D1 = T2浊1 T1浊2 (5) 上述计算结果表明当熔体温度降低时,熔体自 然扩散系数下降. 显然,自然扩散系数的大幅降低 不利于溶质原子(主要是 Cu)的扩散,且温度降低还 导致超声空化效应的减弱[15] ,超声预处理比空冷超 声处理实验温度更高,处理时间更长,因此有更好的 促进溶质再分配的作用. 2郾 3 力学拉伸实验结果及分析 图 8 为力学拉伸实验结果,由图 8(a)可以计算 得出铸锭 2 # 、3 # 、4 #相较于 1 # ,平均抗拉强度分别增 加了 18% 、40% 、55% ,平均屈服强度分别增加了 14% 、49% 、70% . 图 8(b)为平均延伸率柱状图,由 图 8( b)可知,经过超声预处理的铸锭 2 #和 4 #延伸 率大于未经超声预处理的铸锭 1 #和 3 # . 由图 3(e) 可知,晶粒平均直径 1 # > 2 # > 4 # > 3 # ,根据 Hall鄄鄄Petch 公式[19]可知: 滓y = 滓0 + K d (6) 式中,滓y为屈服应力,滓0 为移动单个位错所需克服 的点阵摩擦力,K 为常数,d 为晶粒平均直径. 由上式可知晶粒尺寸越小,金属的屈服强度越 高. 由图 3 和图 6 可知未经过超声预处理的铸锭 1 # 和 3 #存在组织疏松、气孔、粗大第二相组织等组织 缺陷,这些疏松和气孔等内部缺陷在拉伸断裂时成 为断裂源,导致材料内部微裂纹较多且扩展较快,材 料过早断裂,强度较低;而第二相组织的分布也会影 响拉伸强度,脆性第二相大多分布在晶界上,减少晶 界对拉伸微裂纹扩展的阻力,使得断裂韧度降低,同 样导致材料过早的脆性断裂[1] . 所以拉伸实验预期 结果为拉伸强度 4 # > 3 # > 2 # > 1 # ,延伸率 4 # > 2 # > 3 # > 1 # . 对比图 8 可知,拉伸试验结果基本符合预期 ·1013·
·1014. 工程科学学报，第41卷，第8期 240间 15间 200 ☑抗拉强度 图屈服强度 12 160 80 铸錠编号 铸锭编号 图8力学拉伸实验结果.(a)平均抗拉强度和平均屈服强度柱状图：(b)平均延伸率柱状图 Fig.8 Mechanical tensile test results:(a)histogram of average tensile strength and average yield strength;(b)average elongation histogram 结果.图9为拉伸件断口形貌图，从图中可以看出 经过任何超声处理的铸锭1，这些结果也与上述 未经过超声波预处理的铸锭1"和3内部存在许多 凝固组织观测结果结论相吻合.所以从力学拉伸 组织缩松，且对比图9(a)和图9(c)可以看出在空 性能结果可以印证上述的凝固组织观测结果的准 冷过程中加入超声处理的铸锭3"晶粒明显小于未 确性 100m 100m 1004m 100 um 图9拉伸断口微观组织形貌.(a)1铸锭：(b)2*铸锭：(c)3#铸锭：(d)4铸锭 Fig.9 Fracture morphology of tensile parts:(a)1 ingot;(b)2 ingot;(c)3 ingot;(d)4 ingot (2)在液相线以上较高的温度保温(730℃左 3结论 右)施加超声处理在减少ZL205A铝合金铸锭组织 本文针对超声外场对ZI205A铝合金不同熔体 疏松，成分偏析等方面效果明显. 状态下的凝固规律进行研究，得出以下结论： (3)在液相线以上较低的温度区间(730~650 (1)超声波处理能有效改善ZL205A铝合金的 ℃)空冷施加超声处理可有效改善铸锭组织，细化 熔体质量，在ZL205A铝合金熔体中加入超声处理 晶粒，同时超声热效应明显，能够改善铸锭缩孔。 可以减少疏松缩孔、溶质偏析、粗大脆性二次相等缺 (4)两种温控状态超声处理均能提高铸锭的力 陷，同时可有效细化晶粒 学拉伸性能，较高温度保温超声处理对提升拉伸延
工程科学学报,第 41 卷,第 8 期 图 8 力学拉伸实验结果 郾 (a) 平均抗拉强度和平均屈服强度柱状图; (b) 平均延伸率柱状图 Fig. 8 Mechanical tensile test results: (a) histogram of average tensile strength and average yield strength; (b) average elongation histogram 结果. 图 9 为拉伸件断口形貌图,从图中可以看出 未经过超声波预处理的铸锭 1 #和 3 #内部存在许多 组织缩松,且对比图 9( a)和图 9( c)可以看出在空 冷过程中加入超声处理的铸锭 3 #晶粒明显小于未 经过任何超声处理的铸锭 1 # ,这些结果也与上述 凝固组织观测结果结论相吻合. 所以从力学拉伸 性能结果可以印证上述的凝固组织观测结果的准 确性. 图 9 拉伸断口微观组织形貌 郾 (a) 1 #铸锭; (b) 2 #铸锭; (c) 3 #铸锭; (d) 4 #铸锭 Fig. 9 Fracture morphology of tensile parts: (a) 1 # ingot; (b) 2 # ingot; (c) 3 # ingot; (d) 4 # ingot 3 结论 本文针对超声外场对 ZL205A 铝合金不同熔体 状态下的凝固规律进行研究,得出以下结论: (1)超声波处理能有效改善 ZL205A 铝合金的 熔体质量,在 ZL205A 铝合金熔体中加入超声处理 可以减少疏松缩孔、溶质偏析、粗大脆性二次相等缺 陷,同时可有效细化晶粒. (2)在液相线以上较高的温度保温(730 益 左 右)施加超声处理在减少 ZL205A 铝合金铸锭组织 疏松,成分偏析等方面效果明显. (3)在液相线以上较低的温度区间(730 ~ 650 益 )空冷施加超声处理可有效改善铸锭组织,细化 晶粒,同时超声热效应明显,能够改善铸锭缩孔. (4)两种温控状态超声处理均能提高铸锭的力 学拉伸性能,较高温度保温超声处理对提升拉伸延 ·1014·
商兵等：超声外场对不同温控状态下ZL205A铝合金凝固规律的影响 ·1015· 伸率效果明显，较低温度区间空冷超声处理对提升 2012.43(10):3807 拉伸屈服强度效果明显.也符合铸锭内部组织观测 (蒋日鹏，李晓谦，李开烨，等.超声对铝合金凝固传热与组 织形成的影响与作用机制.中南大学学报：自然科学版 结果 2012,43(10):3807) (5)两种熔体状态的超声处理结合使用，可以 [10]Zocchi ML.Ultrasonic assisted lipoplasty.Technical refinements 进一步改善ZL205A铝合金铸锭的综合质量. and clinical evaluations.Clin Plast Surg,1996,23(4):575 [11]Riedler M,Wei J,Liu YC.Formation of shrinkage porosity dur- ing solidification of steel:numerical simulation and experimental 参考文献 validation.Iron Steel Transl Collect,2016(2):16 [1]Zheng L S.Casting Alloy and Smelting.Xian:Northwestern Poly- (Riedler M,韦菁，刘友存.钢凝固期间缩孔形成的数值模 technical University Press,1994 拟与试验验证.钢铁译文集，2016(2)：16) (郑来苏.铸造合金及其熔炼.西安：西北工业大学出版社， [12]Jiang R P.Li X Q,Liu R G.et al.Effects of power ultrasonic 1994) on grain refining mechanism and action area in pure aluminum. [2] Wang Y,Wu S P,Xue X,et al.Formation mechanism and crite- Spec Casting Nonferrous Alloys,2008,28(7):560 rion of linear segregation in Z1205A alloy.Trans Nonferrous Met (蒋日鹏，李晓谦，刘荣光，等。功率超声对纯铝的细品机制 Soc China,2014,24(11):3632 及作用区域研究.特种铸造及有色合金，2008,28(7)：560) [3]Xian F C,Hao QT,Fan L.Formation mechanism of massive seg- [13]Dai B Y.Metal Liquid Forming Principle.Beijing:National De- regation of ZL205A alloy.Rare Met Mater Eng,2014,43(4): fense Industry Press,2010 941 (戴斌煜.金属液态成型原理.北京：国防工业出版社， (贤福超，郝启堂，范理.ZL205A合金块状偏析形成机理.稀 2010) 有金属材料与工程，2014,43(4)：941) [14]Zhang H Y,Zhang ZZ,Wang Y,et al.Fluid Mechanics.2nd [4]Fan L,Hao QT,Xian F C.Element segregation behavior of alu- Ed.Beijing.Science Press,2014 minum-copper alloy Z1205A.China Foundry,2014,11(6):510 (张鸿雁，张志政，王元，等.流体力学.2版.北京：科学出 [5]Lin C,Zhang H,Bi L,et al.Research status of casting defects of 版社，2014) cast Al-Cu alloys.Mater Rer,2016,30(11):143 [15]Chen WZ.Acoustic Cavitation Physics.Beijing.Science Press, (林超，张鸿，毕亮，等.铸造A-Cu合金凝固缺陷研究现 2014 状.材料导报，2016,30(11)：143) (陈伟中.声空化物理.北京：科学出版社，2014) [6]Liu Z W,Li Y,Wang N.Research on micro-porosity of Z1205A [16]Tian R Z.Casting Aluminum Alloys.Changsha:Central South aluminum alloy casting.Light Alloy Fabric Technol,2013,41 University Press,2006 (7):18 (田荣璋.铸造铝合金.长沙：中南大学出版社，2006) (刘志伟，李怡，王宁.ZL205A铝合金铸件显微疏松研究.轻 [17]Li R Q,Li X Q,Chen P H,et al.Effect rules and function 合金加工技术，2013,41(7)：18) mechanism of ultrasonic cavitation on solidification microstructure [7]Cao F,Jiang R P,Li X Q,et al.Effect of ultrasonic pretreatment of large size high-strength aluminum alloy with hot top casting. on microstructures of Z1205A aluminum alloy casting.J Cent Cent South Unir Sci Technol,2016,47(10):3354 South Unir Sci Technol,2018,49(1):31 (李瑞卿，李晓谦，陈平虎，等.超声空化对大规格高强铝合 (曹飞，蒋日鹏.李晓谦，等.超声预处理对ZI205A铝合金 金热顶铸造凝固组织的影响及作用机理.中南大学学报：自 铸件凝固组织的影响.中南大学学报：自然科学版，2018,49 然科学版，2016,47(10)：3354) (1):31) [18]Zhang Y,Li F L.Luo Z,et al.Effect of applied pressure and [8]Wang F.Eskin D.MiJ W,et al.A refining mechanism of prima- ultrasonic vibration on microstructure and microhardness of Al- ry Al,Ti intermetallic particles by ultrasonic treatment in the liquid 5.0Cu alloy.Trans Nonferrous Met Soc China,2016,26(9): state.Acta Mater,2016,116:354 2296 [9]Jiang R P.Li X Q,Li K Y,et al.Effect of ultrasonic on heat [19]Zhang R S,Wang H,Tian M,et al.Pressureless reaction sinte- transfer and microstructure formation of aluminum alloy during so- ring and hot isostatic pressing of transparent MgAlON ceramic lidification and its mechanism.J Cent South Unir Sci Technol, with high strength.Ceram Int,2018,44(14):17383
商 兵等: 超声外场对不同温控状态下 ZL205A 铝合金凝固规律的影响 伸率效果明显,较低温度区间空冷超声处理对提升 拉伸屈服强度效果明显. 也符合铸锭内部组织观测 结果. (5)两种熔体状态的超声处理结合使用,可以 进一步改善 ZL205A 铝合金铸锭的综合质量. 参 考 文 献 [1] Zheng L S. Casting Alloy and Smelting. Xian: Northwestern Poly鄄 technical University Press, 1994 (郑来苏. 铸造合金及其熔炼. 西安: 西北工业大学出版社, 1994) [2] Wang Y, Wu S P, Xue X, et al. Formation mechanism and crite鄄 rion of linear segregation in ZL205A alloy. Trans Nonferrous Met Soc China, 2014, 24(11): 3632 [3] Xian F C, Hao Q T, Fan L. Formation mechanism of massive seg鄄 regation of ZL205A alloy. Rare Met Mater Eng, 2014, 43 (4 ): 941 (贤福超, 郝启堂, 范理. ZL205A 合金块状偏析形成机理. 稀 有金属材料与工程, 2014, 43(4): 941) [4] Fan L, Hao Q T, Xian F C. Element segregation behavior of alu鄄 minum鄄copper alloy ZL205A. China Foundry, 2014, 11(6): 510 [5] Lin C, Zhang H, Bi L, et al. Research status of casting defects of cast Al鄄鄄Cu alloys. Mater Rev, 2016, 30(11): 143 (林超, 张鸿, 毕亮, 等. 铸造 Al鄄鄄 Cu 合金凝固缺陷研究现 状. 材料导报, 2016, 30(11): 143) [6] Liu Z W, Li Y, Wang N. Research on micro鄄porosity of ZL205A aluminum alloy casting. Light Alloy Fabric Technol, 2013, 41 (7): 18 (刘志伟, 李怡, 王宁. ZL205A 铝合金铸件显微疏松研究. 轻 合金加工技术, 2013, 41(7): 18) [7] Cao F, Jiang R P, Li X Q, et al. Effect of ultrasonic pretreatment on microstructures of ZL205A aluminum alloy casting. J Cent South Univ Sci Technol, 2018, 49(1): 31 (曹飞, 蒋日鹏, 李晓谦, 等. 超声预处理对 ZL205A 铝合金 铸件凝固组织的影响. 中南大学学报:自然科学版, 2018, 49 (1): 31) [8] Wang F, Eskin D, Mi J W, et al. A refining mechanism of prima鄄 ry Al3 Ti intermetallic particles by ultrasonic treatment in the liquid state. Acta Mater, 2016, 116: 354 [9] Jiang R P, Li X Q, Li K Y, et al. Effect of ultrasonic on heat transfer and microstructure formation of aluminum alloy during so鄄 lidification and its mechanism. J Cent South Univ Sci Technol, 2012, 43(10): 3807 (蒋日鹏, 李晓谦, 李开烨, 等. 超声对铝合金凝固传热与组 织形成的影响与作用机制. 中南大学学报: 自然科学版, 2012, 43(10): 3807) [10] Zocchi M L. Ultrasonic assisted lipoplasty. Technical refinements and clinical evaluations. Clin Plast Surg, 1996, 23(4): 575 [11] Riedler M, Wei J, Liu Y C. Formation of shrinkage porosity dur鄄 ing solidification of steel: numerical simulation and experimental validation. Iron Steel Transl Collect, 2016(2): 16 (Riedler M, 韦菁, 刘友存. 钢凝固期间缩孔形成的数值模 拟与试验验证. 钢铁译文集, 2016(2): 16) [12] Jiang R P, Li X Q, Liu R G, et al. Effects of power ultrasonic on grain refining mechanism and action area in pure aluminum. Spec Casting Nonferrous Alloys, 2008, 28(7): 560 (蒋日鹏, 李晓谦, 刘荣光, 等. 功率超声对纯铝的细晶机制 及作用区域研究. 特种铸造及有色合金, 2008, 28(7): 560) [13] Dai B Y. Metal Liquid Forming Principle. Beijing: National De鄄 fense Industry Press, 2010 (戴斌煜. 金属液态成型原理. 北京: 国防工业出版社, 2010) [14] Zhang H Y, Zhang Z Z, Wang Y, et al. Fluid Mechanics. 2nd Ed. Beijing. Science Press, 2014 (张鸿雁, 张志政, 王元, 等. 流体力学. 2 版. 北京: 科学出 版社, 2014) [15] Chen W Z. Acoustic Cavitation Physics. Beijing. Science Press, 2014 (陈伟中. 声空化物理. 北京:科学出版社, 2014) [16] Tian R Z. Casting Aluminum Alloys. Changsha: Central South University Press, 2006 (田荣璋. 铸造铝合金. 长沙: 中南大学出版社, 2006) [17] Li R Q, Li X Q, Chen P H, et al. Effect rules and function mechanism of ultrasonic cavitation on solidification microstructure of large size high鄄strength aluminum alloy with hot top casting. J Cent South Univ Sci Technol, 2016, 47(10): 3354 (李瑞卿, 李晓谦, 陈平虎, 等. 超声空化对大规格高强铝合 金热顶铸造凝固组织的影响及作用机理. 中南大学学报: 自 然科学版, 2016, 47(10): 3354) [18] Zhang Y, Li F L, Luo Z, et al. Effect of applied pressure and ultrasonic vibration on microstructure and microhardness of Al鄄鄄 5郾 0Cu alloy. Trans Nonferrous Met Soc China, 2016, 26 (9 ): 2296 [19] Zhang R S, Wang H, Tian M, et al. Pressureless reaction sinte鄄 ring and hot isostatic pressing of transparent MgAlON ceramic with high strength. Ceram Int, 2018, 44(14): 17383 ·1015·