超声波振幅对铝合金微观组织的影响

摘要： 分别用振幅为0μm、60μm、120μm、18μm的超声波在温度区间685655°C对6061铝合金进行了超生处理。结果表明：铸态6061铝合金微观组织对超声波振动很敏感。超声处理后发现，铸锭晶粒尺寸明显减小，晶粒圆整度更好，材料微观缺陷被明显消除，说明其微观组织得到了明显地改善。随着振幅的增大，晶粒细化效更加明显。

关键词： 6061铝合金；超声处理；晶粒

中图分类号：TG244

Abstract： The effect of ultrasonic treatment on the microstructure of a 6061 aluminum alloy was investigated at temperature 685～655°C. The results indicated that the microstructure of this alloy is very sensitive to the ultrasonic vibration. Compared with the grain size of this conventional alloy， the grain size not only decreases with the increasing of the amplitude， but also the grain roundness is better. The microstructure of this alloy was improved obviously.

Key words： 6061 alloy； ultrasonic treatment； grain

铝合金由于其优异的性能在航空航天及其它工业当中有大量的应用。其中，镁-铝-硅系的6061铝合金强度高、耐蚀性强、热处理性能好，常常被用作结构件时发挥了重要的作用[1-2]。因此，有很多科学方法可以提高铝合金的机械性能，例如：人工失效、轧制、挤压等。显然，这些传统的方法有一个共同的特点，也就是不遗余力地改善了合金的微观组织以提高其机械性能。一般地，合金的微观组织大多数在凝固的过程中形成的，因此，控制合金的凝固过程对材料的微观组织有着至关重要的作用。其中，对合金熔体施加振动也是改善金属材料内部结构和组织状态的有效方法之一。

早期的振动方式只是简单的机械振动，随着科学技术的不断发展，早期简单的机械振动逐渐被高频率的超声波（频率≥20KHz）振动所代替。超声振动实际上就是在合金熔体中引入机械振动从而引入一种动态的形核过程。超声波的主要机制是空化效应和声流机制。有很多学者对超声处理金属熔体进行了大量的研究。结果表明[3-5]：超声场对金属及其合金材料主要有以下四方面的影响：第一，促进形核；第二，晶粒的细化和粗化；对7075铝合金超声处理后，其铸锭横截面从边缘到中心部位出现了大量的等轴晶，而未进行超声波处理的铸态合金横截面上随机分布着大小不一的晶粒；第三，对第二相的形貌和分布有影响；乐启炽[6]等人研究发现，对镁硅合金进行熔体超声处理不但可以使其凝固组织得到细化，而且对合金中的第二相Mg2Si的形貌和分布情况有显著的影响。第四，有去气除渣的作用；对铝合金铸锭进行适当的超声波处理可以得到良好的除气效果，但处理时间过长，反而会导致气孔增加。

因此，本文用不同振幅的超声波对6061铝合金熔体进行了超声孕育处理，研究了超声波处理温度条件对6061铝合金微观组织的影响。

1. 实验材料与方法

6061铝合金的名义成分如表1所示。首先，对铝合金表面进行打磨处理，除去表面杂质；然后，取一定量的铝合金放入自制的不锈钢坩埚中用中频感应电炉熔炼；持续加热至750°C并充分搅拌使合金完全熔化；最后，关闭电炉。待熔体温度降至685°C时迅速将预热温度为550°C的超声波导入杆伸入熔体液面以下300mm开始施加振动，当温度降至655°C时将其移出；然后，将熔体浇入预热温度为500°C的砂型模具中。振动装置如图1所示，超声波功率为500W，频率为20±0.5kHz。

当铝合金铸锭完全冷却后，将其从中心部位切开，在其横断面上取样。将试样经粗磨和细磨后抛光，然后，用Keller试剂腐蚀，在光学显微镜下观察其微观组织。

2. 结果与分析

2.1 超声波振幅对铝合金凝固组织的影响

图2为未经过超声处理和不同振幅的超声波超声处理后铝合金熔体的金相照片。从图中可以看出，合金凝固组织的变化对超声波处理很敏感；未经超声处理的铸锭有很明显的铸造缺陷，晶粒呈无规则形的蔷薇状，晶粒大小不一；经过超声处理后缺陷减少，蔷薇状晶粒被破坏，铸锭晶粒尺寸明显减小，晶界更加清晰，晶粒形状多为近圆形的多边形或者呈椭圆形，晶粒分布比较均匀，因此，晶粒度很好。另外，从图中可以看出，随着超声波振幅的增大，围观缺陷越来越少，晶粒形状一致性更好，即圆整度越好。

2.2 结果分析

超声处理后合金凝固微观组织发生了很大的变化。首先，是由于有很强穿透力的超声波具有空化效应，既存在于液体中的空化泡高速崩溃会使其周围的熔体在瞬时产生高温和高压，在此过程中，瞬时的温度和压力提高了合金的凝固点，相应地增加了熔体的过冷度，促进形核；另一方面，是超声波的声流作用。超声波发出的波使铝液产生流动并发生喷射现象，阻止了晶核长大促使晶粒细化，并且超声波声流促进了热量的传递和元素的扩散，加速了枝晶的重溶。当超声波的振幅增大时，超声波所产生的能量也随之增大，振动效果越好。

3. 结论

1. 在6061铝合金熔体凝固过程中施加超声振动，可以明显细化铸锭晶粒，从而改善了其微观组织。

2. 随着超声波振幅的增大，振动效果越好，晶粒尺寸及圆整度越好。

参考文献

[1] Zheng R R， Wu Y， Liao S L， Wang W Y， Wang W B， Wang A H. Microstructure and mechanical properties of Al/（Ti，W）C composites prepared by microwave sintering [J]. Journal of Alloys and Compounds， 590， （2014）： 168C175.

[2] Tolga Dursun， Costas Soutis. Recent developments in advanced aircraft aluminium alloys [J]. Materials and Design， 56， （2014）： 862C871.

[3] 陈逢源，金培鹏，王金辉等.超声波处理对6061铝合金晶粒大小的影响[J].铸造技术，2012，33（11）：1276-1278.

[4] 马立群，舒光冀，陈锋，等.金属熔体在超声场中凝固的研究[J].材料科学与工程，1995，13（4）：2-7.

[5] 李杰，葛成玲，王建军，等.不同超声波引入方式对金属熔体凝固组织的影响[J].铸造技术，2010， 31（12）：1621-1624.

[6] 乐启炽，张志强，崔建忠，等.超声孕育处理对AS41镁合金凝固组织的影响[J].中国有色金属学报，2010，20（5）：813-819.