超声波功率对半连续铸造6013铝合金组织与力学性能的影响

超声波功率对半连续铸造6013铝合金组织与力学性能的影响陆向科;王孟君;李新涛;康跃华;王顺成
【摘要】采用超声波辅助半连续铸造工艺制备直径310 mm的6013铝合金铸锭,利用金相显微镜、扫描电镜、电子探针分析仪和拉伸试验机,研究了超声波功率对
半连续铸造6013铝合金铸锭显微组织与力学性能的影响.结果表明:超声波辅助半连续铸造工艺可以细化铸锭的晶粒和第二相,提高α-Al基体上的元素固溶度.超声
波功率越大,铸锭的晶粒和第二相越细小,第二相分布越均匀,α-Al基体中的元素固
溶度越高,铸锭的拉伸力学性能越高.当超声波功率增大至350 W时,铸锭的抗拉强
度为261.9 N/mm2,屈服强度为225.8 N/mm2,伸长率为20.9％,与未施加超声波的铸锭相比,此时铸锭的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别提高了10.7％、13.6％、14.8％.
【期刊名称】《轻合金加工技术》
【年(卷),期】2019(047)005
【总页数】6页(P25-29,51)
【关键词】6013铝合金;半连续铸造;超声波功率;晶粒细化;均匀化
【作者】陆向科;王孟君;李新涛;康跃华;王顺成
【作者单位】中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙410083;广东省材料与加工
研究所,广东广州510650;中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙410083;广东省
材料与加工研究所,广东广州510650;广东省材料与加工研究所,广东广州510650;
广东省材料与加工研究所,广东广州510650
【正文语种】中文
【中图分类】TG249.7;TG292
6013铝合金是美国铝业公司研制的一种综合性能较好的Al-Mg-Si-Cu系变形铝
合金，具有高的强度和良好的断裂韧性、抗疲劳性能、抗腐蚀性能、焊接性能和塑性加工性能，可加工成板材、管材、棒材、线材、型材、锻件等，广泛应用于飞机、武器装备、汽车、电子电器等领域[1-2]。

但6013铝合金的合金化程度较高，在
半连续铸造过程中元素偏析和热裂倾向较大，尤其大尺寸铸锭更为严重[3]。

彭洪
美等人分别研究了熔体超声波处理对半连续铸造7050、2219铝合金铸锭凝固组
织的影响，结果表明，超声波在熔体中产生的空化效应和声流效应能够有效促进溶质的再分布，减小温度梯度，细化铸锭的晶粒组织，使凝固组织更加均匀[4-5]。

超声波辅助半连续铸造的工艺相对简单，容易实现工业化生产，但迄今为止未见超声波辅助半连续铸造6013铝合金铸锭的报道。

因此，本试验采用超声波辅助半连续铸造工艺制备直径310 mm的6013铝合金铸锭，研究超声波功率对半连续铸
造6013铝合金铸锭显微组织与力学性能的影响。

1 试验材料与方法
试验材料为6013铝合金，采用纯铝锭(99.7%，质量百分数，下同)、纯镁锭(99.95%)以及Al-20Si、Al-50Cu、Al-10Mn、Al-10Zr中间合金熔炼配制。

试验设备包括300 kg熔铝炉、半连续铸造机和超声波系统，超声波系统包括超声波发生器、换能器、变幅杆和工具头，变幅杆和工具头的材质为钛合金，工具头直径为50 mm。

超声波辅助半连续铸造试验装置如图1所示。

在熔铝炉中加热熔化纯铝锭，升温至780℃，然后加入纯镁锭以及Al-20Si、Al-
50Cu、Al-10Mn和Al-10Zr中间合金，搅拌熔化，对铝熔体取样，用
SPECTRO-MAXx直读光谱仪分析合金熔体成分，结果见表1。

采用纯度为99.99%的氩气和为铝熔体重量0.5%的精炼剂对铝熔体进行喷吹精炼除气除杂，喷吹精炼时间为3 min，扒渣后再降温至730℃并静置30 min，最后将铝熔体半连续铸造
成直径310 mm的铝合金铸锭，铸造温度为710℃，冷却水流量为3 000 L/h，
铸造速度为60 mm/min，超声波功率分别为0、90 W、200 W和350 W。

图1 超声波辅助半连续铸造试验装置示意图Fig.1 Schematic illustration of the experimental device for semi-continuous casting with ultrasonic表1 6013
铝合金铸锭的化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of 6013Al alloy(wt/%)
MgSiCuMnFeZrAl0.880.680.640.150.110.08余量
分别在铝合金铸棒横截面的二分之一半径位置处取样，试样经磨制、抛光和腐蚀后，在LEICA-DMI3000M光学显微镜和JEOL扫描电子显微镜上进行组织观察，并使用电子探针能谱来分析第二相和各元素在铝基体中的固溶度。

在DNS200电子拉
伸试验机上进行室温拉伸，拉伸速度为2 mm/min。

拉伸试样的形状尺寸如图2
所示，
图2 拉伸试样尺寸图Fig.2 Schematic illustration of dimensions of the tensile specimen
2 试验结果
2.1 显微组织
图3是超声波辅助半连续铸造6013铝合金铸锭的显微组织。

从图3a可看到，未施加超声波处理时，铸锭的α-Al晶粒为粗大的树枝晶，晶界较宽且连续呈网状。

施加超声波处理后，铸锭的α-Al晶粒和晶界得到细化，并且随着超声波功率的逐渐增大，铸锭的α-Al晶粒和晶界都越来越细。

从图3d可看到，当超声功率增大
到350 W时，铸锭的α-Al晶粒的形态从树枝晶转变为细小均匀的等轴晶，晶界
明显变细，显微组织的均匀化程度得到明显改善。

图3 不同超声波功率辅助半连续铸造6013铝合金铸锭的显微组织 Fig.3 Microstructures of 6013Al alloy ingots prepared by semi-continuous casting with ultrasonic treatment
图4是超声波辅助半连续铸造6013铝合金铸锭的扫描电镜图。

经扫描电镜能谱仪分析，图4中亮白色化合物是Al2Cu相，深灰色化合物是Mg2Si相。

从图4a可看到，未施加超声波处理时，Mg2Si相呈长条状，Al2Cu相呈点块状，并且
Mg2Si相和Al2Cu相都较为粗大。

随着超声波功率的增大，Mg2Si相和Al2Cu
相逐渐变细，分布更加均匀。

从图4d可看到，当超声功率增大到350 W时，大
部分Mg2Si相和Al2Cu相都转变为细小颗粒状，且均匀弥散分布在α-Al基体上。

2.2 元素固溶度
图5为6013铝合金铸锭中Mg、Si、Cu元素的固溶度随超声波功率变化的曲线。

从图5可以看到，随着超声波功率的逐渐增大，Mg、Si、Cu元素在α-Al基体中的固溶度都逐渐升高。

未施加超声波处理时，Mg、Si、Cu元素在α-Al基体中的固溶度分别为0.67%、0.24%和0.26%。

当超声波功率增大到350 W时，Mg、Si、Cu元素在α-Al基体中的固溶度分别上升到了0.71%、0.27%和0.3%，与未施加超声波处理时相比，铸锭的Mg、Si、Cu元素的固溶度分别提高了5.97%、12.5%、15.38%。

2.3 拉伸力学性能
图6为6013铝合金铸锭的拉伸力学性能随超声波功率的变化曲线。

由于铸锭的
α-Al晶粒和第二相逐渐细化以及α-Al基体上元素固溶度的提高，从图6可以看到，随着超声波功率的逐渐增大，铸锭的抗拉强度、屈服强度和伸长率都逐渐升高。

未施加超声波处理时，6013铝合金铸锭的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为236.6 N/mm2、198.7 N/mm2和18.2%。

当超声波功率增大到350 W时，
6013铝合金铸锭的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为261.9 N/mm2、225.8
N/mm2和20.9%，与未施加超声波处理相比，此时6013铝合金铸锭的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别提高了10.7%、13.6%、14.8%。

图4 不同超声波功率辅助半连续铸造6013铝合金铸锭的扫描电镜图 Fig.4 SEM images of 6013Al alloy ingots prepared by semi-continuous casting with different ultrasonic powers
图5 Mg、Si、Cu元素固溶度随超声波功率的变化曲线Fig.5 The solid solubility curves of Mg, Si and Cu with different ultrasonic powers
图6 6013铝合金铸锭的拉伸力学性能随超声波功率变化的曲线Fig.6 Curves of tensile mechanical properties of 6013 aluminum alloy ingots with different ultrasonic powers
3 讨论
超声波导入熔体后，会在熔体中引发空化效应和声流效应[6]。

空化效应是指超声
波在熔体中会产生负压，当压力超过空化阈值时会产生许多空化气泡[7]。

大多数
气泡在经过两到三次振荡后会崩破，这会使该处产生高温、高压脉冲[8]。

根据Clausius-Clapeyron方程，空化效应引起的局部压力激增会提高气泡周围的熔体
的过冷度，从而显著提高熔体的形核率。

同时，在气泡破裂引发的声流效应的搅拌作用下，初生晶核会弥散分布在熔体各处，从而使铸锭的α-Al晶粒得到有效细化。

超声波辅助铸造的有效性受到许多因素的影响，如超声波功率[9]、超声波的振幅
和频率[10]、超声波处理温度和持续时间等[11]。

在这几个因素中，超声波功率的大小有着至关重要的作用。

超声波功率越高，在熔体中引发的空化效应和声流效应越明显，形核率越高，铸锭α-Al晶粒的细化均匀程度也就越高。

在凝固过程中，溶质通过扩散和自然对流两种机制混合，前者的速度远低于后者的。

当铝熔体凝固时，存在几乎没有任何流动的边界，即固液边界，边界中的溶质只能
在熔体中缓慢扩散到对流区[12]。

因此，溶质倾向于在边界处聚集，形成较为粗大的第二相。

当超声波被引入熔体后，超声波空化泡破裂瞬间会产生高温、高压脉冲，这些局部的强烈冲击不仅会迫使固相和液相之间的物质交换，还会破坏溶质团簇。

同时超声波空化泡破裂引发的声流效应将提高形核质点与溶质元素的扩散速度，使第二相晶核的分布更弥散。

过冷度的提高会相应地提高熔体的凝固速度，减小溶质元素在固液两相区的停留时间，更多的Mg、Si、Cu元素能够固溶到α-Al基体中，凝固后期的溶质元素变少，所形成的第二相也相应变小。

因此，在经过超声波处理的6013铝合金铸锭中能够观察到Al2Cu、Mg2Si等第二相由粗大变为细小且分
布弥散，弥散度随超声功率的增加而提高。

经过超声波处理的铸锭，α-Al晶粒变得细小均匀，Mg、Si、Cu等溶质元素在α-Al基体中的固溶度提高，第二相的弥散度提高。

与常规铸造样品相比，超声波处
理过的铸锭产生了细晶强化、固溶强化、第二相弥散强化等强化效应，组织成分更均匀，晶界处的塑性流动性更好，滑移带之间的相互作用力更强，裂纹产生的倾向性更小。

因此，超声波处理过的铸锭样品的拉伸力学性能得到提高，并且随着超声波功率的增大而提高。

4 结论
1)随着超声波功率的逐渐增大，6013铝合金铸锭的α-Al晶粒组织逐渐从粗大的
树枝晶转变为细小晶粒，第二相逐渐细化且分布更加均匀。

2)随着超声波功率的逐渐增大，6013铝合金铸锭基体中的溶质元素固溶度逐渐提高，当超声波功率为350 W时，Mg、Si、Cu元素的固溶度分别为0.71%、0.27%和0.3%。

3)随着超声波功率的逐渐增大，6013铝合金铸锭的拉伸力学性能逐渐提高，当超
声波功率为350 W时，铸锭的抗拉强度为261.9 N/mm2，屈服强度为225.8
N/mm2，伸长率为20.9%。

4)与未施加超声波的铸锭相比，施加350 W超声波的铸锭的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别提高了10.7%、13.6%、14.8%。

【相关文献】
[1] 张君尧. 美国铝业公司6013铝合金简介[J]. 轻合金加工技术, 1995(3)：24-26.
[2] 何新宇. 手机机身用铝合金[J]. 轻合金加工技术, 2017, 45(6):1-6.
[3] 覃锡伯. 铝合金圆铸锭工艺问题及对策[J]. 技术与市场, 2013(6):140-141.
[4] 彭洪美, 李晓谦, 蒋日鹏. 熔体超声处理对7050铝合金铸锭微观偏析的影响[J]. 北京理工大学学报, 2016, 36(11):1105-1110.
[5] 钟贞涛, 李瑞卿, 李晓谦, 等. 超声处理对2219大规格铝锭微观组织与宏观偏析的影响[J]. 工程科学学报, 2017, 39(9):1347-1354.
[6] ESKIN G I. Principles of ultrasonic treatment: application for light alloys melts[J]. Advanced Performance Materials, 1997, 4(2):223-232.
[7] XU H B, JIAN X G, MEEK T T, HAN Q Y. Degassing of molten aluminum A356 alloy using ultrasonic vibration [J]. Materials Letters, 2004, 58(29): 3669-3673.
[8] ESKIN G I, PIMENOV Y P, MAKAROV G S. Effect of cavitation melt treatment on the structure refinement and property improvement in cast and deformed hypereutectic Al-Si alloys[J]. Materials Science Forum, 1997,242:65-70.
[9] TZANAKIS I, LEBON G S B, ESKIN D G, et al. Investigation of the factors influencing cavitation intensity during the ultrasonic treatment of molten aluminium [J]. Materials & Design, 2016, 90: 979-983.
[10] ATAMANENKO T V, ESKIN D G, ZHANG L,et al. Criteria of grain refinement induced by ultrasonic melt treatment of aluminum alloys containing Zr and Ti [J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2010,41(8):2056-2066.
[11] WANG G, DARGUSCH M S, QIAN M, et al. The role of ultrasonic treatment in refining the as-cast grain structure during the solidification of an Al-2Cu alloy [J]. Journal of Crystal Growth, 2014, 408:119-124.
[12] ZOUH, PAN Q L, SHI Y J, et al. Effect of ultrasonic field on microstructure and mechanical properties of as-cast 7085 aluminum alloy[J]. Journal of Central South University, 2018, 25(6):1285-1294.。