高品质的铝合金材料对铸锭组织要求很高。因此，在铝合金熔炼或浇注时，通常采用先进铸造技术以及合理的工艺参数铸造出具有细小均匀等轴晶组织的铸锭（或铸件）。合金的宏观性能主要由其微观组织结构决定。就研究采用的各种提高材料性能的方法，本质上都是从控制凝固组织结构人手，因此研究和控制金属材料的凝固组织已成为当代材料科学领域的热点问题之一。
对金属凝固组织细化的常用方法有：添加晶粒细化剂、各种物理搅拌方法、控制凝固温度，以及振动、摆动等。近年来，利用超声或添加细化剂改善金属凝固组织的方法日益受到关注。添加晶粒细化剂，是通过异质形核作用使晶粒细化。而关于超声处理的研究大多是针对超声作用金属熔体直接凝固成形，对于超声预处理金属熔体后再浇注凝固成形的研究则较少涉及。因此本课题参考国内某军工厂生产铝合金壳体铸件的工艺条件，通过模拟试验研究不同超声预处理铝合金熔体对浇注件凝固组织的影响，主要分析超声处理熔体时间、铝液静置时间对凝固组织的影响，并进一步探讨超声对铝合金凝固组织的作用机理。
1 试验材料、装置和方法
1.1试验材料
试验材料采用7085铝合金，材料的化学成分见表1。
1.2试验装置
试验超声设备包括：超声波发生器，超声振动系统（由压电陶瓷换能器、变幅杆、钛合金工具杆组成），电阻丝加热炉及配套的温度控制记录仪，热电偶，坩埚，位移控制操作台，自动研磨机，Leica台式金相显微镜。试验装置见图1。
1.3试验方法
将配置好的铝合金置于特制坩埚中并放人电阻炉熔炼，完全熔化后，充分搅拌，同时添加打渣剂净化铝熔体，然后保温静置。在恒温条件下，添加细化剂进行孕育处理（0.2%的A1-5Ti-1C），施加超声处理，添加细化剂与施加超声联合处理等工艺对坩埚中的铝液进行预处理，处理完毕后，浇注到砂型中（砂型内径为声50mm，拔模斜度为2o）。为了考察超声处理时间t p与超声处理后的铝液静置时间￡，对铸件凝固组织的影响规律，设计了2组试验，第1组采用不同超声处理时间t p。具体试验条件为：①普通浇注（未加任何处理），浇注温度为680℃，铸锭编号为1号；②在680℃对铝液进行近恒温超声处理，超声功率为200 W，在10、20、30、40min超声处理后浇注，试样编号分别为2、3、4、5号；③在710℃铝液中添加细化剂，然后浇注6号试样，降温至680℃时对铝液进行10、20、30、40 min起声处理后浇注，试样编号为7、8、9、10号。
以第1组超声处理为基础，设计第2组试验，研究超声预处理后铝液停留静置时间￡。对铝合金凝固组织的影响。试验条件为：①在680℃对铝液进行近恒温超声处理，当t s分别为0、4、6、8、10、15 min时浇注，铸件编号分别为以，、以α1、α2、α3、a4、α5、α6；②在710℃铝液中添加细化剂进行孕育处理，降至680℃时超声处理，在t s，为O、4、6、8、10、15 min时浇注，获试样编号为b1、b2、b3、b4、b5、b6。
将不同试样沿中部横断面取样，经砂纸打磨、机械抛光，用Keller试剂制成金相试样，在光学显微镜下观察其凝固组织，分析不同工况下凝固组织的细化效果。
2 试验结果分析与讨论
2.1不同超声条件对合金组织的影响
图2是不同工艺参数下所获得的铸锭显微组织。可以发现，未加超声处理时铸锭凝固组织为树枝晶并且非常发达，连成一体，呈现为块状、片状、骨骼状。添加细化剂后，组织晶粒明显细化，但和普通浇注情况一样存在大量的气孔。超声处理后其显微组织均有明显细化且晶粒分布较为均匀，随着超声处理时间的增加，晶粒细化明显。但当超声处理时间增加到一定程度后凝固组织细化程度不再增强。从图2可以看出，超声处理时间大于30 min时，晶粒细化达到最佳，见图2i。
超声处理时间为30 min时，铝合金细化效果最好，为此第二组是在超声处理30 min后的基础上进行的。图3为在超声处理30 min后，静置不同时间所获得的铸锭显微组织。可以发现，超声预处理后，铝液静置时间的延长会使铸锭晶粒呈现长大的趋势，但在6 min内，这种长大趋势不明显；而静置时间超过8 min时，超声细化效果基本消失。
2.2不同超声条件对合金晶粒的细化机制
在超声处理时间较短时，功率超声对凝固组织晶粒细化程度不大，但随超声处理时间延长，晶粒细化程度越高，细化越均匀。达到一定时间后，晶粒细化稳定。为了表征超声波处理对凝固组织的细化效果，采用平均截面积法计算不同参数处理下的平均晶粒尺寸。平均晶粒尺寸的计算公式为：
式中，r为平均晶粒半径；R为视场半径；L为实际标尺长度；K为尺读数；n为半径为R的圆内晶粒个数。不同条件超声场下凝固组织的平均晶粒尺寸见表2。
在超声处理最佳时间后，静置时间较小时，晶粒长大趋势不明显，但随静置时间的延长，晶粒细化程度越低，到达一定时间后，超声细化效果消失。不同保温时间下凝固组织的平均晶粒尺寸见表3。
从表2和表3可以看出，超声处理时间为30 min时晶粒细化效果最佳，静置8 min后超声细化效果基本消失。
2.3试验结果分析
铝熔体凝固过程中施加超声振动时，由于超声波交互作用，使铝熔体产生震荡，从而对金属凝固过程产生影响。同时声流效应增大了金属熔体凝固过程宏观上的流动搅拌以及空化效应增加了熔体的局部过冷、过热和高压交错等复杂物理状态的交替转换，改变了金属凝固过程的物理场，影响了金属的凝固形态，使熔体整体处于运动状态，对熔体晶核形核形式、形核的生长方式产生巨大的影响，并且铝合金熔体运动状态随超声处理时间的延长而增加，从而起到显著的细化作用。
将超声引入到铝熔体中，在声波的正负相交替下，会使铝熔体中已有的微小气泡核（空化核）不断膨胀或压缩，形成微小空腔。空腔在声场的连续震荡下，逐渐长大形成气泡，并最终在超声谐振作用下破裂。空化泡破裂时，可以瞬间产生巨大的冲击力和温度梯度，引发更大规模的气泡破裂，由此而产生的如微射流、冲击波等特殊反应，将直接或间接的作用和改变金属熔体的凝固条件和凝固过程。与此同时，在微小气泡或空腔的逐渐膨胀过程中，会吸附熔体中的气体或蒸气，对熔体产生除气净化作用。
3结 论
(l)在铝熔体中施加超声波，对合金凝固组织具有细化作用。随着处理时间的延长，晶粒细化效果越好，但大于30 min后，晶粒细化效果不再明显。在铝熔体中添加细化剂孕育后再施加超声，其晶粒细化规律与未添加细化剂一致，且总体细化效果比未添加细化剂要好。
(2)超声预处理后，铝熔体静置时间越长，合金晶粒越大，静置时间大于8 min后的超声细晶效果基本消失。
4、摘要
在680℃恒温条件下，分别采用施加超声磁场、细化剂或两种方式的组合对坩埚中的7085铝熔体进行预处理并进行浇注，分析不同工艺参数对铸锭组织的细化规律。结果表明，延长超声处理时间能增强铸锭组织的细化效果，当超声处理时间达到30 min时，铸锭晶粒细化到最佳状态；超声施振结束后，在680℃恒温条件下，铝液静置时间的延长会使铸锭晶粒呈现长大的趋势，静置时间大于8 min后的超声细晶效果基本消失。
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