半連續(xù)鑄造Al-Zn-Mg-Cu合金的顯微組織與力學(xué)性能

李盛鋒，孫小燕，王 蕾，羅銘強(qiáng)，陳文泗

（1.廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510651；2.廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山 528000）

Al-Zn-Mg-Cu合金是可熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)度鋁合金，廣泛用于交通運(yùn)輸、航空航天、電子電器、機(jī)械設(shè)備、模具等領(lǐng)域，如汽車、高鐵、飛機(jī)、火箭、智能手機(jī)、筆記本電腦、注塑成型模具等[1]。Al-Zn-Mg-Cu合金的主要強(qiáng)化元素包括Zn、Mg、Cu，可形成多種強(qiáng)化效果顯著的強(qiáng)化相，提高鋁合金的強(qiáng)度，使Al-Zn-Mg-Cu合金的熱處理強(qiáng)度效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過于Al-Zn二元合金。提高合金中Zn、Mg、Cu元素的含量，可進(jìn)一步提高Al-Zn-Mg-Cu合金的強(qiáng)度[2]。由于Al-Zn-Mg-Cu合金的Zn、Mg、Cu元素含量較高，合金凝固溫度范圍較寬，采用半連續(xù)鑄造工藝制備大規(guī)格尺寸的Al-Zn-Mg-Cu合金鑄錠時(shí)，鑄錠的元素偏析非常嚴(yán)重，晶粒較為粗大，熱裂傾向較大，會(huì)嚴(yán)重降低Al-Zn-Mg-Cu合金鑄錠的質(zhì)量和成材率，甚至難以獲得質(zhì)量合格的大規(guī)格半連續(xù)鑄造Al-Zn-Mg-Cu合金鑄錠。

晶粒細(xì)化可以改善鑄錠的組織成分均勻性，提高鋁合金鑄錠的質(zhì)量[3]。在半連續(xù)鑄造過程中通過添加晶粒細(xì)化劑是實(shí)現(xiàn)鑄錠晶粒細(xì)化的有效方法，但該方法仍然無法完全解決大規(guī)格半連續(xù)鑄造Al-Zn-Mg-Cu合金鑄錠的元素偏析和熱裂問題[4]。研究人員[5，6]研究了電磁攪拌對半連續(xù)鑄造Al-Zn-Mg-Cu合金鑄錠組織的影響，但電磁攪拌半連續(xù)鑄造的生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，成本較高，難以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。超聲波振動(dòng)具有空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)的雙重作用，采用超聲波振動(dòng)輔助半連續(xù)鑄造鋁合金鑄錠，可細(xì)化鑄錠的晶粒組織，抑制元素偏析，消除熱裂[7-10]，并且超聲波振動(dòng)的工藝較為簡單，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。因此，本文采用超聲輔助半連續(xù)鑄造工藝制備直徑310 mm的Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠，研究了半連續(xù)鑄造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的顯微組織與力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金，采用純鋁錠（99.7%，質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，下同）、純鋅錠（99.9%）、純鎂錠（99.95%）和Al-10Cu中間合金熔煉配制。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括300 Kg鋁合金熔煉爐、螺桿式半連續(xù)鑄造機(jī)和超聲波振動(dòng)系統(tǒng)，超聲波振動(dòng)系統(tǒng)包括超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿和工具頭，變幅桿和工具頭的材質(zhì)為鈦合金，工具頭直徑為50 mm。超聲波輔助半連續(xù)鑄造裝置如圖1所示。

在鋁合金熔煉爐中于780℃加熱熔化純鋁錠，然后加入純鎂錠、純鋅錠和Al-10Cu中間合金，攪拌熔化成鋁合金液，對鋁合金液取樣并澆注成錠，然后采用SPECTRO-MAX型直讀光譜儀對鋁合金錠進(jìn)行化學(xué)成分分析，成分見表1。采用純度為99.99%的氬氣和鋁合金液重量為0.5%的鋁合金精煉劑對鋁合金液進(jìn)行噴吹精煉除氣除雜，噴吹精煉時(shí)間為3 min，扒渣后再降溫至730℃，再靜置30 min，最后將鋁合金液在超聲波振動(dòng)條件下半連續(xù)鑄造成直徑310 mm的鋁合金鑄錠，鑄造溫度為710℃，冷卻水流量為3000 L/h，鑄造速度為65 mm/min，超聲波功率分別為0 W、70 W、140 W和210 W。

圖1 半連續(xù)鑄造裝置示意圖

表1 合金的化學(xué)成分（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%）

分別在鋁合金鑄棒橫截面的二分之一半徑位置處取樣，試樣經(jīng)磨制、拋光和腐蝕后，在LEICA-DMI3000M型光學(xué)顯微鏡和JEOL型掃描電子顯微鏡上進(jìn)行組織觀察，并使用電子探針能譜對第二相和鋁基體元素固溶度進(jìn)行分析。將試樣加工成拉伸試樣，在DNS200型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸，拉伸速度為2 mm/min，拉伸試樣的形狀尺寸如圖2所示。

圖2 拉伸試樣的形狀尺寸（單位：mm）

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖3為半連續(xù)鑄造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的顯微組織。從圖3可看到，沒有施加超聲波振動(dòng)時(shí)，鑄錠的顯微組織為粗大的α-Al樹枝晶，晶界較寬和較粗大，α-Al晶粒的尺寸大小差異也較大，如圖3（a）所示。

當(dāng)施加超聲波振動(dòng)后，隨著超聲波功率的增大，鑄錠的顯微組織逐漸從粗大的α-Al樹枝晶向α-Al等軸晶轉(zhuǎn)變，α-Al晶粒尺寸越來越細(xì)小，晶界變得越來越細(xì)。

當(dāng)超聲波功率增大到210 W時(shí)，從圖3（d）可看到，鑄錠的顯微組織為細(xì)小均勻的α-Al等軸晶，α-Al晶粒的尺寸大小均勻。

圖3 合金鑄錠的顯微組織

圖4 合金鑄錠的掃描電鏡背散射圖

Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的晶粒細(xì)化主要得益于超聲波振動(dòng)產(chǎn)生的空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)[7]。在超聲波振動(dòng)作用下，鋁合金熔體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的空化泡，空化泡持續(xù)不斷地吸收來之超聲波振動(dòng)產(chǎn)生的能量，使空化泡不斷地長大，當(dāng)空化泡的壓力超過某一閾值時(shí)，空化泡破碎，空化泡破碎會(huì)使鋁合金熔體局部產(chǎn)生高溫和高壓，并吸收鋁合金熔體的一部分熱量[8]，這種空化泡效應(yīng)會(huì)提高鋁合金熔體的過冷度，進(jìn)而增加了鋁合金熔體形核核心，最終使鑄錠的α-Al晶粒得到細(xì)化。超聲波振動(dòng)還會(huì)在鋁合金熔體中產(chǎn)生聲流效應(yīng)，使鋁合金熔體內(nèi)部產(chǎn)生了局部的壓力梯度，使鋁合金熔體形成對流，對流會(huì)使打碎α-Al枝晶，增加鋁合金熔體的形核核心，同樣可起到α-Al晶粒的細(xì)化作用[9]。

圖4為半連續(xù)鑄造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的掃描電鏡背散射圖。

從圖4可看到，未施加超聲波振動(dòng)時(shí)，鑄錠顯微組織的第二相在α-Al樹枝晶的晶界處呈連續(xù)分布，第二相形態(tài)呈棒狀和針狀，部分心部的第二相呈點(diǎn)狀分布，如圖4（a）和（c）所示。施加超聲波振動(dòng)后，鑄錠顯微組織的第二相主要呈點(diǎn)狀和塊狀，α-Al晶粒的心部沒有第二相存在，如圖4（b）和（d）所示。

表2為半連續(xù)鑄造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的電子探針能譜分析結(jié)果。

從表2可看到，位置1的第二相含有Al、Mg、Cu和Fe元素，其含量分別為68.83%、3.21%、6.01%和21.95%，Al和Fe元素是主要元素，Al和Fe元素的原子數(shù)量比等于3:1，因此，位置1的第二相為Al3Fe相。位置3的第二相只有含有Al和Fe元素，Al與Fe的原子數(shù)比等于3:1，因此，位置3的第二相也是Al3Fe相。位置2的第二相為Al2Zn3Mg3相。位置4的第二相的成分組成與位置1的第二相的成分組成相同，因此，位置4的第二相也是富鐵相Al3Fe。

表2 電子探針能譜分析結(jié)果（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%）

2.2 力學(xué)性能

圖5為半連續(xù)鑄造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的拉伸力學(xué)性能與超聲波功率之間的關(guān)系曲線。

從圖5可看到，沒有施加超聲波振動(dòng)時(shí)，由于鑄錠的顯微組織為粗大的α-Al樹枝晶，晶界較寬和較粗大，α-Al晶粒的尺寸大小差異也較大，導(dǎo)致鑄錠的拉伸力學(xué)性能較低，其抗拉強(qiáng)度為310.9 MPa，伸長率為9.1%。

施加超聲波振動(dòng)后，由于α-Al晶粒和第二相都得到細(xì)化，因此，鑄錠的拉伸力學(xué)性能得到提高。隨著超聲波功率的逐漸增大，由于鑄錠的顯微組織逐漸從粗大的α-Al樹枝晶向α-Al等軸晶轉(zhuǎn)變，α-Al晶粒和第二相的尺寸越來越細(xì)小，晶界變得越來越細(xì)。

因此鑄錠的拉伸力學(xué)性能越來越高。當(dāng)超聲波功率增大到210W時(shí)，鑄錠的抗拉強(qiáng)度為329.4 MPa，伸長率為12%，與沒有施加超聲波振動(dòng)的鑄錠相比，此時(shí)鑄錠的抗拉強(qiáng)度提高了6%，伸長率提高了31.3%。

圖5 拉伸力學(xué)性能與超聲波功率之間的關(guān)系曲線

3 結(jié)論

（1）施加超聲波振動(dòng)可細(xì)化半連續(xù)鑄造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的α-Al晶粒和第二相，提高鑄錠的力學(xué)性能。

（2）超聲波功率越大，Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的α-Al晶粒和第二相越細(xì)小，分布越均勻，鑄錠的拉伸力學(xué)性能越高。

（3）當(dāng)超聲波功率為210 W時(shí)，半連續(xù)鑄造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的抗拉強(qiáng)度為329.4 MPa，伸長率為12%。

（4）與未施加超聲波相比，施加210 W超聲波的半連續(xù)鑄造合金鑄錠的抗拉強(qiáng)度提高了6%，伸長率提高了31.3%。