唐靖川 李晓谦 董 方
（中南大学机电工程学院，现代复杂装备设计与极端制造教育部重点实验室）
摘要利用超声变幅杆在7A09铝合金连续铸造过程中进行超声处理，通过Olympus dsx500光学显微镜来观察施加超声处理和不施加超声处理的铝合金表面中缺陷的变化，由此来研究超声铸造对铝合金中微观缺陷的影响。结果表明，相对于未施加超声处理的铸锭，施加超声后铸锭的氧化夹杂缺陷减少，可观察到表面气孔、缩孔缺陷数量上有所增加（从2 912增大为3 436），但是平均尺寸由10.0 μm降为7.4μm、缺陷平均面积由0.40mm2降为0. 36 mm2。最后，对超声作用下氧化夹杂、双层膜、晶粒尺寸等对铝合金铸锭中微观缺陷的影响以及相关的作用机理进行了讨论。
铝合金在航空航天大构件中应用前景非常广阔，目前在军用飞机结构上用量为40%～60%，在民用飞机中用量已经达到70%～80%。7A09铝合金作为一种超硬铝合金，在飞机大构件中应用受到重视。但是在铝合金的熔炼、浇注和转注过程中容易被带入～种双层膜( bifilm)，使铝合金熔体在凝固过程中产生氧冷裂纹、热裂纹、气孔、缩松等缺陷，从而影响铝合金铸件的性能和应用。在铝合金铸造过程中引入超声场对金属熔体进行处理，具有安全环保、操作简便、成本低廉等诸多优点，应用广泛。超声铸造技术就是利用超声变幅杆对铝合金熔体施加机械波，达到改善凝固组织的目的。邓静采用超声铸造减少铝合金铸锭中气孔和缩松缺陷，但是研究内容主要是围绕着铝熔体中氢浓度的降低来减少气孔和缩松，而关于氧化夹杂与气孔和缩松之间关系的叙述和机理研究较少，特别是双层膜在气孔和缩松形成的影响没有做具体分析。本课题通过施加超声前后对比，研究了超声处理后铝合金铸锭中氧化夹杂以及气孔、缩松的变化。通过超声的空化作用、双层膜促进气孔、缩松形成的相关机理来对超声铸造消除氧化夹杂以及减轻气孔、缩松的现象进行讨论。
1 试验材料及方法
试验所用7A09铝合金是通过采用质量分数为99. 7%（质量分数，下同）的工业纯铝和各种合金母锭熔配而成的，其化学成分见表1。采用Novelis PAEFrance 9t半连续铸造机进行浇注。超声振动系统采用最大功率为2 000 W的超声波发生器，工作频率为19.5kHz;采用Olympus dsx500光学显微镜观察合金微观组织。
试验在尺寸为φ550 mm×4 000 mm的7A09铝合金圆锭半连续铸造过程中进行。在半连续铸造过程中将超声振动系统置于结晶器上方，将工具杆伸入熔体预热后开启超声发生器电源并调节至谐振状态，施加超声的位置为距离轴心150 mm附近，见图1。其中在铸锭1000～2 500 mm施加超声，用于分析不同工艺条件的影响：①在施加超声和未施加超声的铸锭轴心附近各取1块试样进行断口缺陷检测；②在距离底面1 500 mm和3 000 mm的位置截取厚度为25 mm的截面分别作为施加超声和未施加超声试样进行分析。每块试样沿径向直径取宽度为10 mm长条，并平均分为12份进行分析，具体取样位置见图2。
2试验结果及分析
分别对施加超声和未施加超声的铸件进行断口定性分析，并取在超声作用的轴线附近的铝合金作为对比，试验结果见图3。在未施加超声的试样中发现多处缺陷，而施加过超声的试样中并没有发现明显的宏观缺陷。通过能谱扫描显示未施加超声的试样中的缺陷均为氧化夹杂，见图4和表2。
经超声处理后合金的氧化夹杂缺陷明显减少，这是由于超声处理时，空化作用强的区域内氧化夹杂成为良好的空化核心，空化泡优先在氧化夹杂上形成，并不断地发生膨胀、收缩并且上浮。空气泡在经过超声的空化作用较弱区域时，又与熔体中的氧化夹杂相遇，因为这些夹杂物不能被铝液润湿，就被吸附在气泡的表面上，并随着气泡上浮到熔体表面。根据热力学第二定律，如氧化夹杂物能自动吸附在气泡上则应满足下式：
式中，σ1为金属与夹杂间的界面张力；σ2为金属与介质间的界面张力；σ3为夹杂与介质间的界面张力。
因为铝液与氧化夹杂之间是互补润湿的，所以其接触角0大于90°，如Al2 03与铝液的接触角为134°。因此完全符合热力学条件，熔体内的氧化夹杂自发地吸附在空化泡的表面上，随着空化泡最后浮出熔体表面而被除去，使最后铸锭中氧化夹杂缺陷减少。
对取得的24块试样的表面进行抛光处理，然后对其进行显微缺陷分析。未施加超声的缺陷面积为0. 40%，施加超声的缺陷面积为0.36%，较未施加超声的减少了10%。说明在超声作用下，缺陷的面积有了明显减小。但是，在缺陷的数量上，施加超声的和未施加超声的试样中缺陷数量的平均值分别为3 436和2 912。施加超声后增加了18%，平均尺寸从10.0μm降至7.4 μm。这种趋势在超声作用较强区域特别明显。图5和图6是施加超声和未施加超声的1～6号试样打磨抛光后表面形貌的对比。可以看到，有很多大小不一的孔隙，而这些孔隙大部分都是由气孔和缩孔组成。超声处理后铸锭的显微缺陷要明显少于未经超声处理的。由此可见，因为大尺寸的缺陷数量减少，总体上来说，功率超声有效限制了铸造铝合金由于大尺寸微观缺陷而可能引起的失效。在施加超声和未施加超声的1～6号试样的对比中，发现施加超声的缺陷面积为0. 32%，较未施加超声的减少了18. 8%。在缺陷的数量上，施加超声和未施加超声的试样中缺陷数量分别为3 910和2 375个，施加超声后增加了64%。
2.1 超声的晶粒细化作用
铝合金内部产生气孔、缩孔是由金属液在凝固过程中补缩不足引起的。由于铝合金的固态密度要高于液态密度，所以熔体在凝固过程中体积会减小。由于金属液在凝固过程中，晶体以树枝晶的形式生长，熔体可以在各个晶粒之间的通道中进行流动来进行补缩，但是当枝晶间相互之间形成了闭合的骨架之后，枝晶间的剩余熔体在凝固过程中收缩时，由于得不到熔体补缩，最后只能生成微小的缩孔缺陷，有些缩孔被析出的氢气填充，变成了气孔。李晓谦等研究发现，铝合金凝固过程中施加超声外场，可使铸锭的晶粒细化，组织更为均匀。图7是未施加超声和超声作用较强区域的试样，可以看出，在施加超声后，晶粒尺寸减小，树枝晶数量减少，等轴晶数量增加。
2.2超声对双层膜的影响
凝固过程中，金属液中萌生一个空腔非常困难，铝合金破裂压力达到了3 GPa，所以气孔、缩孔在没有核心的情况下均质形核较为困难。研究发现，在抛光界面中出现一组独立的枝晶间的孔洞，这是一些纠缠在一起、整体结构并不规则的双层膜。双层膜是一种带有空腔的氧化夹杂，它具有氧化夹杂和气泡的双重特点，这使它成为了气泡、缩孔等缺陷生长的理想位置。在功率超声作用下，铝熔体中产生了强烈的空化反应，双层膜作为带有空腔结构的氧化夹杂，成为了空化泡形核的重要核心，一部分双层膜以空化泡的形式不断膨胀、收缩，以类似于气泡的方式最后在铝熔体表面逸出。同时，由于变幅杆在熔体的表面引起了小幅度的液面振动，致使熔液表面有一部分氧化膜发生折叠，在超声的声流作用下进入到了熔体内部，但是这些双层膜数量多，体积小，并不能导致铸锭中大尺寸缺陷的形成，反而某种程度上促进了空化反应的进行。所以在超声作用下，铝液中大尺寸双层膜含量减少，小尺寸双层膜含量增加，但是双层膜总体含量上有所减少，由此带来晶粒的细化。
3 结 论
(1)在功率超声作用下，空化作用产生的空化泡吸附并带走了熔体中的部分氧化夹杂，减少了铸锭中的氧化夹杂缺陷。
(2)功率超声作用后铝合金的气孔、缩孔体积明显减小，虽然在数量上明显增加，但是有效抑制了铸造铝合金由于大尺寸微观缺陷而可能引起的失效。
(3)在功率超声的作用下晶粒得到了明显的细化，使枝晶间的凝固得到了良好的补缩，减少了气孔和缩孔的出现。
