超聲振動對5356鋁合金組織及力學性能的影響

劉景山，閻峰云，2，康 靖，汪 洋，趙永生

（1.蘭州理工大學省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，甘肅蘭州730050；2.蘭州理工大學有色金屬合金及加工教育部重點實驗室，甘肅蘭州730050）

5356鋁合金作為一種不可熱處理強化的變形鋁合金，具有質輕、強度高以及良好的耐腐蝕穩(wěn)定性和較高的比模量、斷裂韌性。在航空航天、造船、汽車制造、兵工生產等領域得到了廣泛的應用[1-4]。5356鋁合金為許多鋁合金產品的母材，通過拉拔等工藝使鋁合金加工成細絲，因此很大程度上對其質量要求較高，而合金成分與組織是否均勻、晶粒是否細小、熔體是否干凈均為影響5356鋁合金質量的因素。因此，一直以來國內外研究人員通過凈化處理、細化處理、微合金化等工藝提高5356鋁合金質量。但是許多工藝還是存在一定的缺陷。對鋁合金熔體用精煉、過濾等工藝來除氣、除雜，精煉劑產生的氣體會造成環(huán)境的污染，試劑的浪費，過濾使得熔煉工序增加，工作量增大。超聲處理金屬熔體作為一種新的熔體處理技術，已廣泛被人們所關注。高強度超聲振動處理鋁合金熔體不僅可以細化凝固組織，還能對鋁合金熔體產生精煉的效果[5，6]。黃宇煒等[13]通過超聲處理5356鋁合金，分析了超聲處理對合金晶粒細化程度的影響。

本文通過超聲振動處理5356鋁合金熔體的試驗，研究超聲處理工藝對于5356鋁合金熔體凈化及組織細化程度的影響。通過試驗數據的分析比對最終獲得超聲處理5356鋁合金的最佳工藝參數。

1 試驗

1.1 合金成分

5356鋁合金按國家標準（GB/T 3190-1996）成分進行配料。Mg、Ti元素取上限，Mg元素的燒損量按8%計算，其他控制元素均取中間值。試驗的原料選用純鋁（99.97%）、純鎂（99.99%）、純鈦粉，Mn、Gr元素的添加選用Al-10Mn、Al-10Gr中間合金，細化劑選用Al-5Ti-1B中間合金。

1.2 合金熔煉

試驗用電阻爐，在石墨坩堝中進行熔煉，爐溫為850±10℃熔煉純鋁，熔體溫度達到850℃左右時在熔體表面撒覆蓋劑（KCl2：MgCl2：CaF2=2：2：1），覆蓋劑不僅防止熔體吸氣以及表面被氧化，而且還能吸附熔體表面的氧化物夾雜；爐溫上升過程中靜置10min再攪拌，900℃時加入鋁箔紙包好的純鈦粉，900℃以上靜置10～15min，待溫度降至740℃加入Al-10Mn、Al-10Gr中間合金，720℃加純鎂，靜置5～10min，720℃加入細化劑，等溫靜置5min。之后用陶瓷泡沫網對熔體進行過濾。然后超聲處理合金熔體，最后扒渣、澆鑄，澆鑄溫度720℃，金屬模具溫度為200℃。模具為國家標準設計（GB/T1173-2013）。其中獲得的金屬試樣是單鑄毛坯試樣。

熔體超聲處理裝置如圖1所示，超聲處理頻率為20kHz，功率為1kW。為防止振動過程中高溫鋁熔體粘附在變幅桿上，處理之前對變幅桿刷涂料并做預熱處理，當熔體溫度達到目標溫度時，先啟動振動系統，在熔體表面中心處將變幅桿插入然后對熔體進行等溫超聲處理。然后靜置坩堝，待熔體溫度達到澆鑄溫度。超聲處理過程中當熔體溫度為720℃時通過改變變幅桿插入深度（10mm、20mm、30mm）、超聲處理時間（2min、5min、10min）對熔體進行超聲處理。

圖1 超聲處理裝置圖

在澆鑄試樣上截取長度15mm、直徑18mm的圓柱試樣，經過研磨、拋光，用4XC型光學金相顯微鏡進行顯微組織的觀察與分析；用WDW-100D型電子萬能材料試驗機對澆鑄試樣進行力學性能的測試，其中拉伸速度為0.5mm/min；在維氏顯微硬度儀上測試硬度，載荷為0.98N，用比重瓶測試合金的密度；在掃描電子顯微鏡上觀察拉伸試樣斷口形貌，在XRF-1800型X射線熒光儀測所得試樣的實際成分，所測成分（如表1所示）均在標準成分范圍內。

表1 5356鋁合金實際成分 ωB/%

2 試驗結果與分析

2.1 金相組織的分析

圖2a為未加超聲鑄錠顯微組織圖，圖2b為5356鋁合金熔體溫度為720℃左右時加超聲鑄錠顯微組織圖。兩鑄錠除超聲處理外其它熔煉歷程基本一樣。圖中A為樹枝晶，B為雜質，C為氧化物夾雜（其主要成分是Al2O3和MgO[6]）。通過對比可以看出：圖2a中未加超聲鑄錠顯微組織中有較多的、粗大的樹枝晶，并且分布不均勻，還有氧化物夾雜以及其它雜質，晶粒形狀大部分為長條狀。圖2b加超聲鑄錠顯微組織中除了有較少的樹枝晶外，Al、Mg元素的氧化夾雜含量也非常少，并且晶粒分布較均勻，晶粒呈短條狀。未加超聲與加超聲相比晶粒尺寸有所減小，但變化不大。

當鋁合金熔體中加入超聲振動，在空化效應的作用下，合金熔體中會產生大量的空化泡，即超聲波在液體傳播過程中，使液體在交變聲場的作用下形成空化泡，在不斷聲波作用中，這些空化泡就會崩潰，產生瞬時的高溫高壓區(qū)。當超聲頻率、輸出功率為20kHz、1kW時，空化泡崩潰會產生104K、100MPa左右的高溫高壓區(qū)[8]。而空化泡崩潰時產生的沖擊波，會使得熔體中長大的樹枝晶破碎，形成均勻的晶粒組織[9，10]。部分空化泡在熔體浮力的作用下，上升至熔體表面。根據氣泡浮游法原理，空化泡在上升過程中，會使熔體中氣體進入氣泡中，使雜質粘附在氣泡表面，隨氣泡移動至熔體表面，從而將熔體中的氣體、雜質除去。

圖2 鑄錠顯微組織（a）未加超聲（b）加超聲

2.2 力學性能

2.2.1 不同變幅桿插入深度對力學性能的影響

如圖3a為不同變幅桿插入深度所對應的密度，可以看出插入深度為10mm、20mm時密度變化較小，而深度為30mm時增大較為明顯，達到了2.598g·cm-3，比未加超聲處理合金提高了3.2%，圖3b為維氏硬度變化曲線，圖中加超聲之后硬度明顯大了許多，并且隨著深度的增大硬度不斷增大，30mm時達到了91.4。圖3c為抗拉強度與伸長率的變化曲線，從圖中可以看出插入深度為10mm時，抗拉強度小于未加超聲處理時的強度，隨著插入深度的逐漸變長抗拉強度也不斷增大，插入深度為30mm時抗拉強度最大，達到225MPa，比未加超聲提高了7.14%。而當經過超聲處理之后伸長率明顯提高了許多，隨著插入深度的增大，伸長率也不斷增大，插入深度為30mm時伸長率達到11.7%，比未加超聲提高了約52%。

結果表明5356鋁合金熔體經過超聲處理之后，隨著插入深度的不斷增大，其抗拉強度和伸長率均有所提高。超聲處理對鋁合金熔體溫度在700℃以上產生的除氣效果較為明顯[11]，隨著變幅桿插入的深度變長，合金熔體與變幅桿的接觸面積就增大，超聲振動在熔體中產生的空化氣泡就越多，而空化氣泡擴散的范圍就越廣，在上浮的過程中能帶走較多氣體、雜質。因此使得合金力學性能得到提升。

圖3 變幅桿的不同插入深度下鑄錠的力學性能變化曲線

2.2.2 超聲作用時間對力學性能的影響

超聲處理時間是影響合金組織與性能的重要因素之一，通過改變超聲振動在5356合金熔體中的超聲作用時間，從而分析獲得試樣的力學性能。如圖4a為密度變化曲線，其中時間為2min時密度最大，其他處理后的密度均較小。圖4b是硬度的變化曲線，其中超聲處理時間為5min時硬度達到最大，10min時硬度呈現減小趨勢。圖4c為抗拉強度、伸長率的變化曲線，可以看出超聲處理后，抗拉強度、伸長率變化明顯，同時隨著超聲處理時間的變長，合金伸長率不斷增大，處理時間為10min時，伸長率達到了12.5%，而抗拉強度呈現了減小的趨勢，10min時最低。因此當超聲處理2min，合金力學性能最好。

2.3 拉伸斷口形貌分析

對拉伸試樣的斷口形貌進行掃描電鏡的拍攝，圖5a的斷裂方式為沿晶加穿晶的復合式斷裂，但是從圖中可以看出大部分都是沿晶斷裂。圖b中出現了大量的“韌窩”，幾乎全是穿晶斷裂。所以圖b合金力學性能要比圖a的好。5356鋁合金中的Mg元素以第二相及固溶的形式存在合金中，合金凝固過程中Mg元素的晶內、晶界偏析較嚴重[12]。超聲處理鋁合金熔體過程中會使Mg元素的擴散能力增大，使Mg元素的分布更加均勻。因此合金的宏觀力學性能有了進一步的提高[13]。

3 結論

圖4 在不同超聲處理時間下鑄錠的力學性能變化曲線

圖5 試樣拉伸斷口形貌圖

（1）一般熔煉澆鑄的5356鋁合金組織中存在大量的、不均勻的樹枝晶，以及較多的氧化物夾雜。經過超聲處理后的5356鋁合金組織樹枝晶較少，晶粒均勻分布，而且還可以除去許多有害氣體、氧化物夾雜。

（2）超聲處理5356鋁合金熔體，變幅桿插入深度、超聲處理時間的不同均對合金力學性能產生了影響。當熔體溫度為720℃左右，變幅桿插入深度為30mm，超聲處理時間為2min時，5356鋁合金組織與力學性能最佳，抗拉強度達到225MPa，比未加超聲提高了7.1%，伸長率為11.7%，密度2.598g·cm-3，提高52%，維氏硬度為91.4。