第6期 陈鼎欣等：超声铸造7050铝合金的微观组织和宏观偏析规律 ·667· 供理论和技术参考 21±0.5kHz)、电阻加热炉、铁坩埚（外形尺寸为 中130mm×200mm,壁厚5mm)、温度控制记录仪、 1 实验方法 液压式位移操作台、热电偶、Leica台式金相显微镜 实验设备：超声波振动系统（输出功率：105， 和SPECTRO MAXx直读光谱仪.实验材料所用 135,170,200,240W:输出频率：19±0.5,20±0.5， 7050铝合金的成分配比如表1所示 表1实验用7050合金成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of 7050 aluminum alloy % 合金 Zn c Mg Zr 食 Ti V 标准 5.7-6.7 2.0-2.6 1.9-2.6 0.08-0.15 <0.15 <0.12 <0.06 Bal 实验合金 5.9 2.4 2.3 0.10 0.10 0.08 0.04 Bal. 超声场加入的方法如图1所示，施加超声前对 式中：C,为所测位置的i元素浓度值；C为该元素 工具杆进行预热处理（防止超声振动系统在高温铝 铸锭中的原始浓度值.本文将△C>0和△C<0分 熔体直接启动时过载失谐)，通过位移控制台调 别定义为正偏析和负偏析，曲线图横坐标为所测点 节超声系统的位置，确保工具杆处于坩埚的中心位 距离铸锭表面的距离.引入偏析指数S衡量铸锭宏 置.分别施加135、170和200W超声，保持发生器 观偏析程度： 工作频率19±0.5kHz,施振温度和时间分别为670 S=△Cs-△Cmia· (2）) ℃和5min,工具杆浸入铝熔体中约15mm.施振结 式中，△Cms和△Cmi分别为径向最大和最小偏析率. 束后立即将坩埚从加热炉中取出，置于空气中自然 2结果分析与讨论 冷却，直至完全凝固. 图2为不同超声施振功率下铸锭的凝固组织. 超声波发生器 无超声作用下中心和边部存在大量分布不均匀的粗 晶，边部有明显的枝晶存在.超声场的施加使铸锭 定位法兰盘 位移操作台 中心粗晶减少并形成大量细小且均匀的球状晶，边 位夹具 部的晶粒形状和排布规则化.未加超声时中部和边 部晶粒尺寸为246和425um,施加170和200W超 热电偶 声时组织细化程度差别不大，200W时为实验中的最 温度控制仪 小值，中部和边部晶粒尺寸分别达到117和173μm. 超声场的施加促进晶粒细化、均匀的原因是超 铝合金熔体 声在液体中传播时会产生空化效应，空化产生的空 化泡的形成和长大需要从周围吸收大量的热量，导 致空化区域局部过冷，局部的过冷以及熔体中过冷 铁圳埚、 区域的扩大，使熔体内形核率增加：空化泡的瞬时崩 图1超声铸造实验装置示意图 溃造成局部的高温高压，从而产生强烈的冲击波，促 Fig.1 Schematic diagram of the ultrasonic casting experimental appa- 进凝固前沿枝晶的折断和破碎，这些破碎的枝晶碎 ratus 片作为新的形核核心进一步提高形核数量6-.此 从距铸锭顶部60mm处截取厚度为10mm 外，超声作用加速熔体流场运动，均衡温度场和浓度 的切片，并从截面边缘沿径向切割成I0mm宽的 场，改善形核的凝固环境，使晶粒沿各个方向均匀 样条.采用Leica金相显微镜分别对切片中心和 长大图 边部的组织进行观测.采用SPECTRO MAXx直 图3为不同超声功率作用下，溶质元素Zn、Mg 读光谱仪测量样条的溶质分布情况.绘制半径方 和C山偏析率沿径向的分布曲线.由图3可知，总体 向溶质元素Zn、Mg和Cu偏析率△C的对比 上三种主要溶质元素的偏析率的分布曲线具有一致 曲线： 性.溶质元素在铸锭边部都表现为较严重的负偏 Ci-Cave 析，在170W时负偏析的程度最小：从铸锭边部到其 △C= (1) 半径1/2处，相对于未施加超声的铸锭，施加超声有第 6 期 陈鼎欣等: 超声铸造 7050 铝合金的微观组织和宏观偏析规律 供理论和技术参考． 1 实验方法 实验设备: 超声波振动系统( 输出功率: 105， 135，170，200，240 W; 输出频率: 19 ± 0. 5，20 ± 0. 5， 21 ± 0. 5 kHz) 、电阻加热炉、铁坩埚( 外形尺寸为 130 mm × 200 mm，壁厚 5 mm) 、温度控制记录仪、 液压式位移操作台、热电偶、Leica 台式金相显微镜 和 SPECTRO MAXx 直 读 光 谱 仪． 实 验 材 料 所 用 7050 铝合金的成分配比如表 1 所示． 表 1 实验用 7050 合金成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of 7050 aluminum alloy % 合金 Zn Cu Mg Zr Fe Si Ti Al 标准 5. 7 ～ 6. 7 2. 0 ～ 2. 6 1. 9 ～ 2. 6 0. 08 ～ 0. 15 ＜ 0. 15 ＜ 0. 12 ＜ 0. 06 Bal. 实验合金 5. 9 2. 4 2. 3 0. 10 0. 10 0. 08 0. 04 Bal． 超声场加入的方法如图 1 所示，施加超声前对 工具杆进行预热处理( 防止超声振动系统在高温铝 熔体直接启动时过载失谐［5］) ，通过位移控制台调 节超声系统的位置，确保工具杆处于坩埚的中心位 置． 分别施加 135、170 和 200 W 超声，保持发生器 工作频率 19 ± 0. 5 kHz，施振温度和时间分别为 670 ℃和 5 min，工具杆浸入铝熔体中约 15 mm． 施振结 束后立即将坩埚从加热炉中取出，置于空气中自然 冷却，直至完全凝固． 图 1 超声铸造实验装置示意图 Fig． 1 Schematic diagram of the ultrasonic casting experimental appa￾ratus 从距铸 锭 顶 部 60 mm 处 截 取 厚 度 为 10 mm 的切片，并从截面边缘沿径向切割成 10 mm 宽的 样条． 采用 Leica 金相显微镜分别对切片中心和 边部的组 织 进 行 观 测． 采 用 SPECTRO MAXx 直 读光谱仪测量样条的溶质分布情况． 绘制半径方 向溶 质 元 素 Zn、Mg 和 Cu 偏 析 率 ΔC 的 对 比 曲线: ΔC = Ci － Cave Cave ． ( 1) 式中: Ci为所测位置的 i 元素浓度值; Cave为该元素 铸锭中的原始浓度值． 本文将 ΔC ＞ 0 和 ΔC ＜ 0 分 别定义为正偏析和负偏析，曲线图横坐标为所测点 距离铸锭表面的距离． 引入偏析指数 S 衡量铸锭宏 观偏析程度: S = ΔCmax － ΔCmin ． ( 2) 式中，ΔCmax和 ΔCmin分别为径向最大和最小偏析率． 2 结果分析与讨论 图 2 为不同超声施振功率下铸锭的凝固组织． 无超声作用下中心和边部存在大量分布不均匀的粗 晶，边部有明显的枝晶存在． 超声场的施加使铸锭 中心粗晶减少并形成大量细小且均匀的球状晶，边 部的晶粒形状和排布规则化． 未加超声时中部和边 部晶粒尺寸为 246 和 425 μm，施加 170 和 200 W 超 声时组织细化程度差别不大，200 W 时为实验中的最 小值，中部和边部晶粒尺寸分别达到 117 和 173 μm． 超声场的施加促进晶粒细化、均匀的原因是超 声在液体中传播时会产生空化效应，空化产生的空 化泡的形成和长大需要从周围吸收大量的热量，导 致空化区域局部过冷，局部的过冷以及熔体中过冷 区域的扩大，使熔体内形核率增加; 空化泡的瞬时崩 溃造成局部的高温高压，从而产生强烈的冲击波，促 进凝固前沿枝晶的折断和破碎，这些破碎的枝晶碎 片作为新的形核核心进一步提高形核数量［6--7］． 此 外，超声作用加速熔体流场运动，均衡温度场和浓度 场，改善形核的凝固环境，使晶粒沿各个方向均匀 长大［8］． 图 3 为不同超声功率作用下，溶质元素 Zn、Mg 和 Cu 偏析率沿径向的分布曲线． 由图 3 可知，总体 上三种主要溶质元素的偏析率的分布曲线具有一致 性． 溶质元素在铸锭边部都表现为较严重的负偏 析，在 170 W 时负偏析的程度最小; 从铸锭边部到其 半径 1 /2 处，相对于未施加超声的铸锭，施加超声有 ·667·