·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·