熔体超声处理对7050铝合金铸锭微观偏析的影响

彭洪美， 李晓谦， 蒋日鹏

(中南大学 机电工程学院，湖南，长沙 410083)



熔体超声处理对7050铝合金铸锭微观偏析的影响

彭洪美， 李晓谦， 蒋日鹏

(中南大学 机电工程学院，湖南，长沙 410083)

采用不施加超声、施加300、1 000 W功率超声三种工艺处理半连铸成形7050铝合金大扁锭，并对不同铸锭的第二相形貌、溶质元素含量变化进行了分析. 结果表明：经超声处理的铸锭，非平衡共晶组织变得细小而分散；超声作用下 Zn、Mg 和 Cu 元素的成分曲线较常规铸锭平缓，1 000 W超声作用效果更加明显，其Zn、Mg 和 Cu 的晶内相对溶质固溶度分别提高6.36%，19.44%和 10.14%；超声处理增大了各溶质元素的有效分配系数ke值，凝固初期的增幅为0.04～0.24；1 000 W超声作用使铸锭芯部及边部区域的微观偏析得到有效弱化，而芯部距离边部1/2处作用效果相对较差；由于超声加速了凝固前沿的冷却速度，使更多的溶质原子固溶到α-Al中，Zn、Mg和Cu元素在铸锭中的微观偏析得到了改善.

7050铝合金；超声半连铸；成分曲线；有效分配系数

7050铝合金是一种热处理可强化型铝合金，具有超高的强度和硬度、较好的耐腐蚀性能和抗疲劳性能，广泛应用于航空航天及交通运输产业[1].由于其合金元素含量较高，在普通的半连续铸造过程中，往往形成粗大的非平衡共晶相分布于晶内与晶界，经后期的均匀热处理工艺仍会析出不均匀沉淀物，导致应力集中和裂纹萌生，严重影响合金的品质和性能.偏析在很大程度上是由合金成分和铸造工艺造成的，研究变形铝合金的偏析行为对于指导合金配比和优化铸造参数有着非常重要的意义[2].超声波作为一种高频声波，作用于熔体时会产生空化、声流、谐振、异质活化等非线性效应[3]，其作为一种绿色环保的辅助铸造工艺手段在当前得到了广泛的关注. H R Kotadia 等[4-5]研究发现在铝合金凝固过程中施加超声外场会有效细化α-Al基体组织，减少缩孔、缩松和裂纹等缺陷，有效改善铸件的力学性能.目前该领域的研究多集于超声对铸件微观组织和性能等方面的影响，对合金元素固溶能力以及固液界面前沿再分配能力等影响元素微观偏析的研究相对较少，且研究都局限于小坩埚实验，不能为工业铝合金大尺寸扁锭的制备提供技术支持.因此，文中针对长×宽为1 320 mm×500 mm的7050铝合金大扁锭，通过改变超声功率，研究了其对第二相形貌及Zn、Mg 和 Cu元素成分曲线的影响，并计算了溶质元素的有效分配系数ke，建立了固相无扩散，液相混合扩散的凝固模型，探究熔体超声处理对7050铝合金溶质元素微观偏析的抑制行为和促进溶质元素在横截面上均匀分布的作用规律，为高品质铝合金大铸锭的生产制备提供新的理论和方法.

1 实 验

1.1 实验材料与设备

实验材料为7050铝合金，其合金成分配比如表1所示，满足7050铝合金成分指标.

表1 实验用7050合金成分(质量分数)

实验设备主要有：Novelis PAE France 9t半连续铸造机；自制超声波发生器(4台)，输出频率17～22 kHz，最高输出功率2 kW；超声振动系统(4套)；熔炼炉；超声振动系统固定支架.

分析设备主要有：Automet250型自动研磨机；TESCAN扫描电镜；EPMA电子探针分析仪.

1.2 实验方案

在常规7050铝合金扁锭超声半连续铸造过程中， 4套超声振动系统对称布置在结晶器中[6]，超声工具杆经预热插入熔体.实验过程如下：

① 当铸造电流、功率等参数稳定时，通过4套超声振动系统向铝合金熔体中施加1 000 W功率超声. ② 当铸造长度至2 800 mm时，将4套超声振动系统的输出功率调整为300 W. ③ 当铸造长度至3 900 mm时，停止施振，移走超声振动系统，同时继续浇注铸锭长度至4 650 mm时结束.

从铝合金扁锭中截取厚度为20 mm的3块横截面样板，各样板距离起始浇注面为1 000，3 500，4 500 mm，分别对应3种不同功率超声处理的铸锭.鉴于铸造工艺的对称性，每块样板均取1/4截面进行分析.如图1所示，对不同工艺条件处理的3块样板进行分割，编号制成试样.特别地，对样板芯部、芯部距离边部1/2处、超声作用位置及边部试样分别标记为①、②、③和④.利用TESCAN扫描电镜进行第二相形貌观测；使用EPMA打点400测量主要溶质元素Zn、Mg 和Cu的含量，测量范围为试样中200 μm×200 μm区域，后根据等级排序法[7]获得各元素含量关于固相分数的函数曲线.所得结果均为同一试样5个随机视野的数据平均值.

2 实验结果

2.1 第二相形貌

图2是不同超声作用强度处理的7050铝合金铸锭在③号试样的背散射图.由于7050铝合金主要溶质元素Zn、Mg和Cu在凝固过程中的平衡分配系数k0<1[8]，随着铸锭非平衡凝固过程的进行，不断有溶质元素从固相中析出，在固液界面前沿富集.经EPMA线扫描能谱分析，发现Zn、Mg和Cu元素的谱线在晶界处均达到峰值，其中Cu的晶粒内外质量分数差值最大，其偏析最为严重.施加超声场之后，二次相由长条状向片状转变，共晶组织更加细小和分散．

2.2 成分曲线

图3是经不同功率超声处理的铸锭在③号试样处Zn，Mg和Cu的成分曲线.其中固相分数计算如式(1)[7]所示.

fs(i)=(Ri-0.5)/N.

(1)

式中：fs(i)为排序后第i点对应的固相率；Ri为i点对应的排序编号；N为电子探针测量点的总数.

由图可知，各元素含量随着固相分数的增加不断增大.对比3种功率超声发现：与普通半连铸相比，超声使各溶质元素的含量在凝固初期有不同幅度的升高，末期大幅下降，溶质元素分布变化曲线愈加平坦；在实验所测得的功率范围内，1 000 W功率超声作用效果最好，其成分曲线最为平坦，各溶质元素分布均匀性最佳.

经对比发现，1 000 W功率超声处理对改善溶质元素分布均匀性效果最佳，故对其铸锭横截面上试样①、②、③和④进行重点分析. 图4为各试样内Zn，Mg和Cu的成分曲线.

通过对比发现：横截面上不同位置处各溶质元素质量分数差异整体变小，其边部位置试样成分分布曲线最为平缓，芯部距离边部1/2处成分分布曲线稍陡.

2.3 晶内相对固溶度

不同超声场处理的试样其内Zn，Mg和Cu在晶内及晶界处的质量分数变化如表2所示.

表2 主要合金元素的质量分数

表2由选取的20组打点数据计算得到，其中各溶质元素的平均质量分数与表1中7050合金成分有一定差距.

采用合金元素晶内相对固溶度K衡量铸锭内各溶质元素固溶到晶内的能力，其表达式为

(2)

式中：mi为试样中i元素固溶到晶内的质量；m为试样中i元素总质量．

根据表2的数据及其式(2)，计算结果如图5所示.

由图5可知，超声不同程度地提高了各溶质元素的晶内相对固溶度，且超声作用越强，效果越好. 1 000 W超声作用下，Zn，Mg和Cu的晶内相对固溶度分别提高6.36%，19.44%和 10.14%. 其中Mg固溶到晶内的含量增加较为明显，Cu在晶内的固溶量虽然有所增加，但仍有较多的量在晶界偏聚.由于大尺寸铸锭自身的特点和宏观偏析的存在，实验中超声改善溶质元素晶内相对固溶度的效果并不显著.

2.4 有效分配系数

半连续铸造凝固过程中固液界面前沿各溶质元素的再分配过程通常采用Scheil模型[8]表示，

(3)

式中：Cs为固相溶质浓度；k0为平衡溶质分配系数；C0为合金成分；fs为固相分数.

在实际的凝固过程中用有效分配系数ke代替平衡分配系数k0，转化成线性形式为

(4)

式中ke可以通过计算得到. 3种工艺条件下7050铝合金凝固过程中Zn、Mg和Cu元素的ke变化曲线如图6所示. 图中只表示出枝晶网格形成前(fs≤0.6)的情况. 因为在凝固末期，优先生长的晶粒之间搭接形成刚性骨架，阻碍枝晶间的铝液流动，使得溶质元素在残余液相大量堆积，与Fe和Si等杂质形成粗大金属间化合物以及非平衡共晶组织，此时ke对描述溶质元素分配情况已不再合适[8-9]. 观察发现，随着凝固过程的进行，300、1 000 W超声使得各溶质元素的ke值较常规铸锭均有不同程度的提高，凝固初期其值增大幅度在0.04～0.24之间，fs接近0.6时，Zn元素的ke增大到1.由图7可知，1 000 W超声铸锭横截面上边部试样的溶质元素ke值最大，而芯部距离边部1/2处ke值相对较小.

3 分析讨论

偏析是合金在凝固过程中溶质元素的分布不均匀现象，它是结晶过程中溶质再分配的必然结果.超声的空化与声流效应对熔体凝固起主导作用，下面从这两个方面对超声强化固液界面前沿溶质分布均匀性进行重点论述.

熔体在超声作用下诱发产生的空化泡在经历振动、长大、崩溃乃至增殖形核等一系列反应时，伴随产生微射流、冲击波等机械效应，这会引起熔体的宏观湍动，打碎已成体系的固相刚性骨架，形成大量分散的液体传输通道，形成微孔介质[9].固液界面前沿的富集溶质得到迅速扩散，分布更为均匀.

在铝合金半连续铸造过程中，铝液自中心浇口流入时带有强大的动量，在液穴内形成大的熔体扰动.施加超声时，工具杆端面的下方出现了明显的声流，方向呈向下喷射状，最大流动速度为0.54 m/s. 此时，浇注流场与超声声流形成了对熔体大范围的协同搅拌效应，这种搅拌改变了熔体流场的分布状态，均衡了温度场和浓度场，使得凝固前沿冷却速度加快.

在超声外场下，采用溶质在固相无扩散，液相混合扩散的凝固模型[8]描述溶质元素的再分配行为.凝固初期(fs≤0.6)，溶质元素分布状况为

(5)

式中：Cs(x)为x处固相溶质质量分数；x为液相中的点到固液界面前沿的距离；v为凝固速度；DL为扩散系数.

由式(5)可以看出，凝固速度是影响溶质分布的关键性因素.熔体超声处理可明显加快熔体的整体凝固进程，这会减小溶质元素在固液两相的停留时间，更多的Zn、Mg和Cu固溶到α-Al中，使得凝固后期液相中Zn，Mg和Cu元素含量降低，这与实验结果中图2所示超声作用下非平衡共晶组织变的细小相一致.如图3实验结果所示，超声使固相内溶质质量分数Cs增大，液相内溶质质量分数C0保持不变，由ke=Cs/C0，则ke相应增大.超声功率从300 W增至1 000 W时，超声空化及声流效应愈发强烈，此时熔体内对流搅拌加剧，使得冷却速度进一步加快，Zn、Mg和Cu元素在微观范围内的分布更加均匀.由超声振动系统的施加位置可知，芯部距离边部1/2位置处的空化、声流与浇注口喷射流协同搅拌作用效果最弱，冷却速度相对较小，对应微观偏析程度最为严重，这与图4和图7的实验结果相一致.

4 结 论

超声空化与声流效应提高了溶质元素在固液界面前沿的再分配能力，加快了凝固前沿的冷却速度，使得Zn、Mg和Cu元素在α-Al中的固溶量增加，非平衡共晶量减少，有效弱化偏析.

与普通半连铸相比，1 000 W功率超声处理使溶质元素的成分曲线在最初过渡区升高，在最终过渡区下降，对改善溶质元素分布均匀性效果最佳.在枝晶网格形成前，Zn元素的有效分配系数增大至1.

经1 000 W超声处理的铸锭其横截面不同区域微观偏析的弱化效果不同，超声对其边部和芯部的微观偏析弱化效果尤其明显.

[1] Wei Lili， Pan Qinglin， Huang Hongfeng， et al. Influence of grain structure and crystallographic orientation on fatigue crack propagation behavior of 7050 alloy thick plate[J]. International Journal of Fatigue， 2014，66：55-64.

[2] Samaras S N， Haidemenopoulos G N. Modelling of microsegregation and homogenization of 6061 extrudable Al-alloy[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2007，194:63-73.

[3] Yao Lei， Hao Hai， Ji Shouhua， et al. Effects of ultrasonic vibration on solidification structure and properties of Mg-8Li-3Al alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China， 2011，21(6):1241-1246.

[4] Kotadia H R， Das A. Modification of solidification microstructure in hypo and hyper-eutectic Al-Si alloys under high-intensity ultrasonic irradiation[J]. Journal of Alloys and Compounds， 2015，620:1-4.

[5] Huang Haijun， Xu Yifan， Shu Da， et al. Effect of ultrasonic melt treatment on structure refinement of solidified high purity aluminum[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China， 2014，24(7):2414-2419.

[6] 蒋日鹏，李晓谦，鞠增业，等.铝合金超声波半连铸多场耦合的模拟与实验[J].华南理工大学学报，2014，42(4):85-89.

Jiang Ripeng， Li Xiaoqian， Ju Zengye， et al. Simulation and experiment study on multi-field coupling of aluminum alloy under ultrasound semi continuous casting [J]. Journal of South China University of Technology， 2014，42(4):85-89. (in Chinese)

[7] 陈丹丹，张海涛，蒋会学，等.DC铸造7075铝合金微观偏析的量化分析[J].材料与冶金学报，2011，10(3):220-225.

Chen Dandan， Zhang Haitao， Jiang Huixue， et al. Quantitative analysis of microscopic segregation of 7075 aluminum alloy casting[J]. Journal of Materials and Metallurgy， 2011，10(3):220-225. (in Chinese)

[8] 张金山.金属液态成型原理[M].北京:化学工业出版社，2011.

Zhang Jinshan. Liquid metal forming principle[M]. Beijing: Chemical Industry Press， 2011. (in Chinese)

[9] 陈丹丹，张海涛，王向杰，等.低频电磁铸造Al-4.5%Cu合金微观偏析研究[J].金属学报，2011，47(2):185-190.

Chen Dandan， Zhang Haitao， Wang Xiangjie， et al. Investigation on microsegregation of Al-4.5% Cu alloy produced by low frequency electromagnetic casting[J]. Acta Metallurgica Sinica， 2011，47(2):185-190. (in Chinese)

(责任编辑：孙竹凤)

Effect of Ultrasonic Treatment on Ingot Microsegregation of 7050 Aluminum Alloy

PENG Hong-mei ， LI Xiao-qian， JIANG Ri-peng

(College of Mechanical and Electrical Engineering， Central South University， Changsha， Hu’nan 410083， China)

Aluminum alloy 7050 large scale billets were prepared with 300、 1 000 W ultrasonic field and without ultrasonic field in semi-continuous casting respectively. The second phase morphology of different ingot was observed, and the content of solute elements was analyzed. The results indicate that the non-equilibrium eutectic organization becomes small and scattered in the ingot with ultrasonic. The composition curves of Zn, Mg and Cu with ultrasonic field become gentle compared with conventional ingot and the effect is more obvious with 1 000 W ultrasonic. The relative intracrystalline solubility of Zn, Mg and Cu increases respectively by 6.36%, 19.44% and 10.14%，and the parameterkebecomes larger with ultrasonic field and increases significantly between 0.04～0.24 in the early solidification. The microsegregation in the edge and central portion of the ingot cross-section are effectively weakened with 1 000 W ultrasonic field, and the effect is relatively poor in 1/2 part from the center to the edge. Because the cooling rate at the solidification front is promoted by 1 000 W ultrasonic field, and there are more solute elements in α-Al, the microsegregation of each element in the ingot is alleviated.

7050 aluminum alloy; ultrasonic semi-continuous casting; composition curve; effective distribution coefficient

2015-05-05

国家“九七三”计划项目(2010CB731706)；国家部委基金资助项目(2012CB619504)

李晓谦(1958—)，男，博士，教授，E-mail:meel@csu.edu.cn.

彭洪美(1990—)，女，硕士生，E-mail:974854583@qq.com.

TG 249.9; TB 559

A

1001-0645(2016)11-1105-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.11.002