原标题：华南理工大学：超声-挤压Al-5.0Cu-0.6Mn合金的工艺参数优化

铸造Al-Cu系合金由于其较高的强韧性和易加工等优点而广泛应用于汽车、航空、航天等领域。但是，由于其结晶温度范围较宽, 流动性差，铸造性能不好等, 限制了其应用范围。近年来，挤压铸造技术由于工艺流程短、材料的利用率高、组织致密、性能优异等特点，被应用于生产高强韧的铸造铝合金。目前对于挤压铸造Al-Cu合金的研究主要集中于压力、浇注温度、模具温度等工艺参数对合金微观组织和力学性能的影响。

超声熔体处理由于空化效应、声流效应和热效应等多种效应的综合作用，在改变金属的凝固过程，改善和控制金属的凝固行为方面具有积极作用。近年来，研究者开展了大量超声场与其他场复合的研究。如研究了功率超声和旋转电磁场复合对于A356铝合金凝固行为的影响，发现复合场能细化晶粒尺寸，提高合金的液相线温度。此外，通过对铸造Al-8Si合金复合施加超声-电磁搅拌，发现复合场处理后Al-8Si合金内部组织得到了明显的改善。

通过在铸造过程中施加超声场、压力场等外加场来细化合金组织和提高合金的力学性能，已经成为一条重要的途径。然而，目前对于复合场的研究多集中在单因素的影响，针对各个因素综合作用的研究较少。

选择Al-5.0Cu-0.6Mn合金为研究对象，通过正交试验和定量金相分析等方法，研究了超声-挤压复合作用下挤压压力、超声功率、超声时间、浇注温度等工艺参数对合金力学性能和显微组织的影响。

图文结果

复合场的设备分两部分组成，超声振动部分主要由一个功率为1.2kW, 频率为20kHz的超声波发生器, 换能器和变幅杆组成。挤压试验在压力为1000kN的液压机上进行，挤压模具采用H13钢, 尺寸为75mm×75mm×100mm。

试验所用原材料为高纯铝锭 (99.95%, 质量分数) 、Al-50Cu、Al-10Mn中间合金，在7.5kW井式坩埚电阻炉中熔炼, 合金完全熔化后使用精炼剂进行除气除渣，并将模具预热到200℃。达到预设的浇注温度后，快速浇注，同时在侧面导入超声波并进行挤压铸造。铸造合金通过光谱分析仪进行成分分析，结果见表2。

表1 主要影响因素及水平

表2 合金的化学成分（%）

表3 正交试验结果

表4 极差分析

图1为试样洛氏硬度的响应曲线。可以看出, 挤压力对试样洛氏硬度的影响明显。随着挤压力的增大, 试样的洛氏硬度逐渐变大;而随着超声功率的增大, 试样的洛氏硬度先增大后减小;超声时间对试样洛氏硬度的影响并不明显, 但随着浇注温度升高, 试样的洛氏硬度也呈现先增大后减小的趋势。图2为试样二次枝晶间距的响应曲线。可以看出, 合金的二次枝晶间距随着压力的增加而显著减小, 而随着超声功率的增加, 二次枝晶间距也呈现逐渐减小的趋势。挤压力和超声功率的增加在细化合金晶粒方面的作用明显。

图1 参数水平对合金洛氏硬度 (HRF) 的影响

图2 参数水平对合金二次枝晶间距的影响

图3 不同压力下合金的微观组织

图3是在0、50、100MPa下合金的微观组织。可以看出, 在压力作用下合金的二次枝晶间距减小, 晶粒得到了细化。一方面, 压力能使凝固点升高, 使原本过热的金属液出现过冷状态, 激发了形核, 而晶核数目越多, 生长的晶粒越细小。另一方面, 压力提高了铸件与模具之间的导热效率和金属液的冷却速率, 并且同时使得结晶温度区间减小, 更快的形核也使铸件中缩松、孔洞缺陷减少。

图4 参数水平对合金第二相体积分数的影响

图5 不同超声功率下合金的第二相形貌SEM图

图6 工艺参数对合金洛氏硬度、二次枝晶间距和第二相体积分数的贡献率

研究结论

试验结果表明, 对于复合场作用下合金的凝固过程, 挤压力对于试样的力学性能影响最大, 并且随着挤压力增大, 试样的硬度逐渐增加, 在0~50MPa时更加明显, 这一方面是因为压力使得合金在凝固过程中的补缩更为容易, 使合金孔隙率显著降低。另一方面由克拉佩龙方程可知, 压力的增加使得熔体的凝固点升高, 从而使合金液更易处于过冷状态, 增加其形核率, 并且使得熔体的结晶温度区间变窄, 二次枝晶间距减小。

在超声场作用下, 由于超声波在熔体中产生的空化泡破裂而带来的局部巨大压力, 造成了熔体的局部过冷, 也对合金的形核起到了促进作用, 并且由于超声波传递过程中产生的声压梯度, 使得熔体高速流动, 初始形成的枝晶容易断裂, 使得合金的二次枝晶间距减小。但当超声功率过大时, 超声波产生的局部热效应, 减缓了合金的凝固速度, 延长了晶粒的生长时间, 反而使合金的力学性能有所下降。

挤压压力对于超声-挤压复合作用下Al-5.0Cu-0.6Mn合金的洛氏硬度 (HRF) 影响最大, 贡献率达65.4%, 并随着挤压力增加, 合金的洛氏硬度逐渐增加。超声功率对合金的硬度和组织也有显著的影响。在所选定的4个工艺参数中, 其对硬度的贡献率为26.3%。在挤压力为100MPa, 超声功率为600W, 超声时间为30s以及浇注温度为710℃时, 合金获得了理想的硬度和最佳的微观组织形态。

本文作者：

牛嘉运 赵愈亮 石亚 张卫文
华南理工大学机械与汽车工程学院

本文转载自：《特种铸造及有色合金》