超聲和AI-5Ti-1B復(fù)合處理對(duì)工業(yè)純鋁凝固組織的影響行為與機(jī)理研究

Studyon the Influence Behavior and Mechanism ofUltrasonicand Al-5Ti-1B Compound Treatment on the Solidification Structure of Commercial-Purity Aluminum

Han Ruiyuan， Wang Yuxin，Li Qingping， Zhang Aimin （School ofMaterials Scienceand Engineering，Henan Institute of Technology，Xinxiang 453003）

Abstract：The conventional solidification structure of cast pure aluminum is coarse.Applyingan ultrasonic field andadding grain refinersduring the solidification processcan refine the grain size，thereby improving the comprehensivepropertiesof theally.Thispaper studies theeffctsof thecombined treatmentofAl-5Ti-1Brefiner andultrasonic fieldonthesolidification processandsolidification structureofpurealuminum.Theexperimentalresults show that thecombined treatment oftheultrasonic fieldand therefiner canachievea bettergrainrefinement ffect than when they actalone.As the ultrasonic power increases，the grain size gradually decreases，and the numberof defectssuchascavitiesand porosityshrinkage also significantlydecreases.Ultrasonic fieldcanpromote theuniform distributionof heterogeneousphaseandallyingelementsinthealuminummelt from therefiner，increasing the number of effective heterogeneous nuclei of α -Al.The best combined refinement effect is obtained when theultrasonic poweris1OooW.Finaly，thecombinedactionmechanismofultrasonicfieldandtherefinerisdiscused，andits microscopic actionatomic modelisgiven.

Keywords：Purealuminum，Grainrefinement，Ultrasoundfield，Al-5Ti-1B，Atomicmechanism

1前言

空航天、高速列車、新能源汽車、架空導(dǎo)線及電子封裝等領(lǐng)域中均大量應(yīng)用[1-3]，是目前應(yīng)用最廣泛的有色金屬結(jié)構(gòu)材料之一。

鋁合金具有導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性與延展性好，比強(qiáng)度、比模量高，塑性好以及耐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在航在純鋁的凝固過程中，常出現(xiàn)組織粗大的問題，澆注前向鋁熔體中添加細(xì)化劑[4-]，或?qū)δ踢^程進(jìn)行超聲場(chǎng)處理（Ultrasonic Treatment）[7-9]，均可有效提高 ααΩαΩαΩαΩαΩαΩαΩαΩ 的形核率，實(shí)現(xiàn)凝固組織的晶粒細(xì)化，從而較好地提升其綜合性能。目前，單獨(dú)利用AI-Ti-B類細(xì)化劑或超聲場(chǎng)改性鋁合金、鎂合金等鑄態(tài)組織的研究較多，而關(guān)于超聲與細(xì)化劑復(fù)合處理的研究相對(duì)較少，復(fù)合處理時(shí)對(duì)凝固組織是否有疊加的效果仍有待深入探索。

本文在鋁合金凝固過程中施加超聲場(chǎng)和A1-5Ti-1B細(xì)化劑，研究細(xì)化劑與外場(chǎng)復(fù)合處理對(duì)純鋁凝固組織的影響，并深人討論超聲場(chǎng)和細(xì)化劑作用下的微觀模型，以期從原子層面分析影響鋁合金凝固過程的微觀機(jī)制。

2 試驗(yàn)方法與過程

本試驗(yàn)所用原材料為高純凈度工業(yè)純鋁鋁錠、Al-5Ti-1B合金細(xì)化劑等。細(xì)化試驗(yàn)所用超聲設(shè)備如圖1所示，試驗(yàn)所用的澆注錠模為高純石墨坩蝸。

首先將電阻爐升溫到 700^°C ，待石墨坩蝸?zhàn)兂砂导t色后將準(zhǔn)備好的純鋁塊放入坩蝸中，然后進(jìn)行加熱。鋁塊熔化后，扒渣加少量覆蓋劑后升溫，待溫度升高到 740°C 時(shí)，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.2% 的Al-5Ti-1B細(xì)化劑，并攪拌至完全熔化，繼續(xù)保溫10min 后取出進(jìn)行超聲處理。鈦合金超聲工具頭經(jīng)500°C 預(yù)熱后，緩慢下放到合金熔體中，浸沒熔體約10mm 左右，隨后開啟電源進(jìn)行超聲處理 2～3min ，取出工具頭后將錠模自然冷卻。

不同組的細(xì)化試驗(yàn)工藝參數(shù)如表1所示，Al-5Ti-1B添加量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.2%_? 將全部鑄錠沿中間部分進(jìn)行垂直切取，對(duì)截面進(jìn)行磨拋處理后采用混合酸 （60mLHCl，30mLHNO₃，5mLHF，5mLH₂0） 進(jìn)行宏觀腐蝕，腐蝕過程用棉花對(duì)表面均勻擦拭，直至顯示清晰的宏觀組織。

3 結(jié)果與討論

3.1超聲與細(xì)化劑單獨(dú)處理下的宏觀組織分析

金屬凝固過程中進(jìn)行超聲處理可產(chǎn)生顯著的晶粒細(xì)化效果，圖2是工業(yè)純鋁未加細(xì)化劑僅經(jīng)不同超聲功率處理后的宏觀組織照片，對(duì)比圖2a＼～圖2d可以看出，未經(jīng)超聲處理時(shí)，純鋁凝固后的晶粒異常粗大，柱狀晶幾乎貫穿整個(gè)試樣橫界面，局部存在粗大的等軸晶，且等軸晶的尺寸也大小不一，極不均勻。在經(jīng)過超聲處理后，工業(yè)純鋁的宏觀組織發(fā)生了明顯的細(xì)化，由柱狀晶完全轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小均勻的等軸晶，晶粒尺寸顯著減小。隨著超聲功率的增加，工業(yè)純鋁的宏觀組織晶粒尺寸逐漸減小，其中 1500‰ 超聲處理后的工業(yè)純鋁的宏觀組織晶粒尺寸最小，晶粒細(xì)化效果最佳。

此外，從圖2b、圖2c和圖2d中還可以明顯看出，隨著超聲功率的增大，工業(yè)純鋁凝固過程中的縮孔、縮松等鑄造缺陷也顯著減少，如圖2中虛線部分所示。除了晶粒細(xì)化對(duì)縮孔、縮松數(shù)量的影響外，超聲處理時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)還可以促進(jìn)熔體的流動(dòng)，這種流動(dòng)有助于及時(shí)補(bǔ)充凝固過程中熔體因收縮而產(chǎn)生的空隙[11-12]。隨著超聲功率的增大，超聲處理所產(chǎn)生的熔體宏觀流動(dòng)效果越來越顯著，進(jìn)而對(duì)縮松、縮孔的消除作用更加明顯，從而有效減少了縮松、縮孔的形成。

圖3是工業(yè)純鋁僅添加細(xì)化劑前后的宏觀組織照片，對(duì)比圖3a和圖3b可以看出，在添加Al-5Ti-1B細(xì)化劑后，工業(yè)純鋁的宏觀組織同樣發(fā)生明顯的細(xì)化，晶粒形狀由粗大的柱狀晶完全轉(zhuǎn)變成了細(xì)小的等軸晶，晶粒細(xì)化效果與超聲細(xì)化效果相當(dāng)。

3.2超聲和AI-5Ti-1B復(fù)合處理后的宏觀組織分析

3.2.1超聲處理功率對(duì)Al-5Ti-1B細(xì)化效率的影響

研究表明，超聲場(chǎng)與細(xì)化劑復(fù)合作用于鋁熔體，可獲疊加的晶粒細(xì)化效果，其機(jī)理被認(rèn)為是超聲對(duì)“雜質(zhì)”的活化作用，并未討論超聲對(duì)細(xì)化劑本身的影響[3]。本文采用 500W，1000W 和 1500‰ 超聲功率分別與AI-5Ti-1B細(xì)化劑復(fù)合作用于純鋁凝固過程，分析其超聲場(chǎng)對(duì)Al-5Ti-1B細(xì)化效果的影響規(guī)律。

圖4是工業(yè)純鋁添加Al-5Ti-1B細(xì)化劑與超聲復(fù)合處理后的宏觀組織照片，超聲處理到液相線以下即 結(jié)束，對(duì)比圖 4a～ 圖4d可以看出，與只添加Al-5Ti-1B細(xì)化劑相比，超聲與Al-5Ti-1B復(fù)合處理具有一定的疊加效果；當(dāng)超聲處理功率為500W時(shí)，復(fù)合的疊加效果不明顯（圖

4b），可能是由于超聲功率較低，對(duì)Al-5Ti-1B中TiB₂ 顆粒的分散效果較弱； 1000‰ 超聲和Al-5Ti-1B復(fù)合的細(xì)化效果最好（圖4c），此時(shí)應(yīng)因功于超聲對(duì) TiB₂ 顆粒的較強(qiáng)分散作用，增加了 有效的形核核心數(shù)量；而當(dāng)超聲處理功率達(dá)到 1500‰ 時(shí)，復(fù)合處理的疊加細(xì)化效果反而出現(xiàn)一定程度的削弱，其細(xì)化效果弱于 1000W 超聲和Al-5Ti-1B復(fù)合作用，如圖4d所示。此外，通過對(duì)比圖4c、圖4d和圖2c、圖2d還可以看出，復(fù)合作用對(duì)縮松、縮孔的影響也與超聲單獨(dú)作用時(shí)不同，復(fù)合處理時(shí)組織中整體收縮數(shù)量明顯減少，但局部仍有較大縮孔。

3.2.2 超聲處理溫度對(duì)Al-5Ti-1B細(xì)化效率的影響

超聲處理對(duì)細(xì)化劑的影響主要體現(xiàn)在對(duì)Al-5Ti-1B中 TiB₂ 和 Al₃Ti 相的作用，其中熔體溫度對(duì)超聲效果具有決定性的作用，熔體溫度較高時(shí)，超聲處理對(duì) TiB₂ 的分散和 Al₃Ti 的溶解都有較好的促進(jìn)作用，當(dāng)熔體溫度較低時(shí)，超聲場(chǎng)的作用效果會(huì)顯著降低14；通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 超聲功率過小，對(duì)Al-5Ti-1B細(xì)化劑促進(jìn)作用有限，因此，選擇1000W和1500W功率研究超聲處理溫度對(duì)復(fù)合細(xì)化效果的影響規(guī)律。

圖5是1000W和1500W功率超聲與Al-5Ti-1B細(xì)化劑在不同超聲處理溫度下純鋁的宏觀組織照片，即超聲處理溫度在液相線以上，即670～680^°C 。從圖5中可以看出，液相線以上的超聲處理即可獲得較好的細(xì)化效果， 1500‰ 超聲處理后的工業(yè)純鋁的宏觀組織晶粒尺寸較小，晶粒細(xì)化效果最佳。此外，與圖3和圖4相比還可以推斷出，液相線以上的復(fù)合處理雖然比單獨(dú)添加細(xì)化劑的細(xì)化效果好，但相比于 1000‰ 超聲與細(xì)化劑在整個(gè)凝固過程中的復(fù)合處理，并未達(dá)到最佳的疊加細(xì)化效果。因此，可以得出獲得超聲與細(xì)化劑復(fù)合處理的最佳工藝參數(shù)為超聲功率為 1000W ，處理溫度為整個(gè)凝固過程溫度區(qū)間。

3.3 細(xì)化機(jī)理分析

3.3.1超聲場(chǎng)對(duì) ααΩαΩαΩαΩαΩαΩαΩ 基體自形核與生長(zhǎng)的影響

高能超聲波在金屬熔體中傳播會(huì)產(chǎn)生聲空化與微射流效應(yīng)[15-16]。首先，在超聲波的作用下，鋁熔體中會(huì)誘發(fā)大量的微小氣泡，當(dāng)超聲波在鋁熔體中產(chǎn)生的聲壓超過空化閾值時(shí)，微小的氣泡受到周期性交變聲場(chǎng)的作用，進(jìn)而發(fā)展成空化氣泡[]。隨著空化泡在高壓作用下的瞬時(shí)破裂，會(huì)對(duì)金屬熔體產(chǎn)生原子級(jí)別的爆破沖擊，使得原本逐漸聚集長(zhǎng)大的A1原子團(tuán)簇再次被沖散成小尺寸團(tuán)簇，這種小尺寸原子團(tuán)簇在形核溫度下難以發(fā)生結(jié)晶轉(zhuǎn)變，只有當(dāng)外界溫度繼續(xù)降低時(shí)才有足夠的能量克服表面能阻力，即相當(dāng)于增加了金屬熔體過冷，進(jìn)而增加了 ααΩαΩαΩαΩαΩαΩαΩαΩ 的形核率，促進(jìn)了形核，超聲作用機(jī)理如圖6所示。

3.3.2 超聲場(chǎng)對(duì) ∝-Al 依附于細(xì)化劑異質(zhì)形核的影響

如圖7所示，細(xì)化劑中的 TiB₂ 顆粒尺寸較小、呈嚴(yán)重聚集狀態(tài)分布，加人純鋁中后，細(xì)化劑中的TiB₂ 相在鋁熔體中仍不易分散均勻，一定程度上會(huì)影響其細(xì)化效果[18]。超聲處理時(shí)，空化氣泡崩潰產(chǎn)生的微射流對(duì)團(tuán)聚的 TiB₂ 顆粒具有強(qiáng)烈的沖擊作用，能夠打破顆粒之間的范德華力等團(tuán)聚作用力，可在短時(shí)間內(nèi)迅速使 TiB₂ 顆粒分散更加均勻。同時(shí)，空化作用同樣也會(huì)對(duì) Al₃Ti 團(tuán)簇凝固過程的尺寸變化等產(chǎn)生影響，這種影響與超聲對(duì)Al原子團(tuán)簇的影響類似，其原理如圖6所示。超聲作用下形成了更多更分散的小尺寸 Al₃Ti 原子團(tuán)簇，進(jìn)而可使更多的 Al₃Ti 團(tuán)簇依附于同樣分散的 TiB₂ 顆粒，形成更多穩(wěn)定的 Al₃Ti 層（圖7），表面形成 Al₃Ti 層的 TiB₂ 復(fù)相粒子是 ααΩαΩαΩαΩαΩαΩαΩαΩ 異質(zhì)形核的關(guān)鍵[]，最終提高了有效異質(zhì)核心的數(shù)量及效率。

此外，超聲在混合鋁熔體中傳播，其有限振幅衰減將在變幅桿端面與熔體內(nèi)部之間形成聲壓梯度，從而產(chǎn)生熔體整體環(huán)流，環(huán)流的最大可能速度μ 為[20]：

式中 ?f 為超聲頻率，A為變幅桿端面振幅。

這種由超聲振動(dòng)引起的熔體宏觀流動(dòng)可使得整個(gè)熔體的溫度分布與成分分布更均勻，有助于Al₃Ti 相的快速熔解與Ti元素、 TiB₂ 相的均勻分布，可在一定程度上提高鋁熔體對(duì)細(xì)化劑中Ti、B的有效利用率。

4結(jié)束語

本文通過對(duì)工業(yè)純鋁凝固過程進(jìn)行超聲處理、添加Al-5Ti-1B處理以及超聲和Al-5Ti-1B復(fù)合處理，研究了不同處理方式對(duì)工業(yè)純鋁的細(xì)化行為與微觀機(jī)制，得到如下結(jié)論：

a.超聲處理和添加Al-5Ti-1B細(xì)化劑均可單獨(dú)有效地細(xì)化工業(yè)純鋁晶粒，隨著超聲功率增加，細(xì)化效果提高，超聲功率為 1500‰ 時(shí)晶粒細(xì)化效果最佳；

b.超聲和Al-5Ti-1B復(fù)合處理時(shí)，超聲功率為1 0 0 0‰時(shí)超聲與細(xì)化劑的細(xì)化效果均達(dá)到最好，500W時(shí)超聲的細(xì)化效果較弱、細(xì)化劑細(xì)化效果明顯，相反， 1500‰ 時(shí)超聲細(xì)化效果明顯，細(xì)化劑則較弱或失去細(xì)化效果；

c.超聲微射流使得 ∝-Al 團(tuán)簇尺寸變小，相當(dāng)于增大過冷度提高了形核率，較小尺寸的團(tuán)簇既可依附于異質(zhì)核心完成形核轉(zhuǎn)變，又能在一定外在過冷度下完成自身形核轉(zhuǎn)變，而過小尺寸的團(tuán)簇則優(yōu)先依靠高的過冷度完成自身形核轉(zhuǎn)變。

參考文獻(xiàn)：

[1]郝建鵬，閆亮明，柳建國.稀土Nd對(duì)A] -6.1Zn-2.3Mg- 1.7Cu-0.15Zr鋁合金鑄造組織及性能的影響[J].稀有金屬，2024，48（12）：1681-1691.

[2]ZHANGYH，YECY，SHENYP，etal.GrainRefine-mentofHypoeutecticAl-7wt.%SiAlloyInducedbyAnAl-V-B Master Alloy[J]. Journal ofAlloys and Com-pounds，2019，12.

[3]陳彥宏，王維裔，韓夢(mèng)霞，等.Al-Si系合金晶粒細(xì)化技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J].特種鑄造及有色合金，2024，44（12）：1585-1595.

[4]楊光，文勝平，雷志國，等.鋁合金細(xì)化劑細(xì)化行為研究現(xiàn)狀與展望[J].鑄造，2024，73（4）：445-452.

[5]劉超，宋子良，楊利軍，等.超聲氟鹽法制備Al-3Ti-1B-0.2C變質(zhì)劑工藝及細(xì)化性能研究[J].安徽工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，36（3）： 1-6.

[6]趙凱，劉桂亮，孫謙謙，等.含Zr高強(qiáng)鋁合金的細(xì)晶技術(shù)與性能調(diào)控新方法[J].特種鑄造及有色合金，2024，44（12）：1610-1615.

[7]杜明，程穎，張花蕊，等.鑄造鋁合金熔體處理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].鑄造，2024，73（6）：738-745.

[8]徐海鵬，路林，賈征，等.超聲處理對(duì)Al-2Sn合金凝固19-21+26

[9]趙志偉，于君娜，羅崇輝，等.超聲功率對(duì) Al-5%Cu 合金凝固組織及凝固行為的影響[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，41（6）：379-382.

[10]李喜闊，程廣奎，孫明，等.外加能量場(chǎng)在鎂合金鑄造過程中的晶粒細(xì)化行為研究進(jìn)展[J].鑄造，2023，72（6）：629-640.

[11]張愛民，蘇光.超聲處理對(duì)Mg-3Al-1Sb合金凝固組織與力學(xué)性能的影響行為與機(jī)理研究[J].河南工學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，31（6）：6-12.

[12]韓宗航.超聲波輔助鑄造鋁合金的組織細(xì)化與強(qiáng)化補(bǔ)縮的研究[D].濟(jì)南：齊魯工業(yè)大學(xué)，2023.

[13]何威想.超聲熔體處理何Al-Ti-B協(xié)同作用下Al-Cu合金的顯微組織和力學(xué)性能研究[D].東莞：東莞理工大學(xué)，2024.

[14]馬立群，舒光冀，陳鋒.金屬熔體在超聲場(chǎng)中凝固的研究[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1995，13（4）：2-7.

[15]LIJY，LUSL，WUS S，et al. Effects of Ultrasonic Vibra-tion on Microstructure and Mechanical Properties of Na-no-sized Sic Particles Reinforced Al-5Cu Composites[J].Ultrasonics Sonochemistry，2018，42： 814-822.

[16]王俊，陳鋒，孫寶德.高能超聲在制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中的作用[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，33（7）： 813-816.

[17]李曉謙，李開曄，陳銘，等.超聲振動(dòng)對(duì)7050鋁合金熔體冷卻時(shí)間及凝固組織的影響[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程，2011，16（2）： 249-254.

[18]李潤(rùn)霞，張文華，張鵬，等.電磁攪拌對(duì)Al-5Ti-B中間合金組織及細(xì)化效果的影響[J].鑄造，2016，65（1）：1-5.

[19] FAN Z， WANG Y， ZHANG Y， et al. Grain RefiningMechanismin the Al/Al-Ti-B System[J]. Acta Materia-lia，2015，84：292-304.

[20]WANGG，DARGUSCHMS，QIANM，etal.TheRoleofUltrasonic Treatment in Refining the As-Cast GrainStructure During the Solidification of An Al-2Cu Alloy[J].Journal ofCrystalGrowth，2014，408：119-124.