鋁合金夾雜物含量檢測方法研究應用進展評述

李大勇,韓朝偉

（哈爾濱理工大學 材料科學與工程學院，黑龍江哈爾濱 150040）

鋁合金熔體中的夾雜物會增加熔體的氫含量，進而在鑄件中形成氣孔、白點等缺陷，并容易產生氫脆現象[1,2]。鋁合金鑄件中的夾雜物導致鑄件基體不連續，在夾雜相的尖角處產生應力集中，使用中易產生裂紋。汽車零部件如汽車轉向節或氣缸體等，夾雜物導致的裂紋會造成嚴重的后果[3,4]。另外，軋制鋁合金板材和箔材時，夾雜物會影響表面質量；鋁材切削加工時，高硬度的夾雜物容易崩裂刀具；鋁合金擠壓時高硬度的夾雜物會損傷磨具，同時在材料表面形成氣孔、條痕、破裂等缺陷[5]。

鋁合金夾雜物主要有熔體與空氣或精煉時噴吹的氮氣反應生成的氧化物、氮化物[6]；精煉劑殘留形成的氯化物、氟化物[7,8]；細化劑殘留形成的含Ti夾雜物[9]；回爐料和器械油污與熔體反應生成Al4C3夾雜物[10,11]；脫落的耐火材料顆粒[12]等。對于薄壁復雜鑄件和高性能鋁合金鑄件，較低含量的夾雜物對產品質量的影響也會很突出。

隨著高性能鋁合金需求量的不斷擴大，對鋁合金夾雜物快速準確檢測技術研究及應用的關注度越來越高。針對鋁合金夾雜物含量的檢測主要有熔體試樣檢測法和固體試樣檢測法兩大類，常用的固體試樣檢測法主要有金相法、化學分析法、工藝試樣法、機械性能檢測法、中子激發測氧含量法、超聲波探傷法、電子束熔化法、電化學表征法等[13]。熔體試樣檢測法主要有Qualiflash法、PoDFA法、Prefil-Footprinter法、LiMCA法、在線超聲檢測法、DMIRF法、洛倫茲力檢測法等。本文將對有代表性的幾種檢測方法的工作原理和特點進行分析，旨在獲得鋁合金夾雜物檢測技術的研究發展趨勢。

1 鋁合金夾雜物固體試樣檢測法

1.1 斷口觀察檢測法

斷口夾雜檢測通過制造斷口，觀察斷口處的夾雜數量評定熔體質量，方法雖然簡單，但準確度不高，主要用于鋁合金夾雜物含量的爐前大致判斷，同時也不適合純鋁或合金元素加入量少的合金。實際生產中應用較為廣泛的一種斷口觀察檢測方法是K-型法。該方法將熔體澆注到缺口試樣模具中，通過觀察凝固后斷裂面處夾雜物的數量評價熔體質量。該方法通過測得的幾個截面夾雜物的總數除以截面的數量得到K值，用K值的大小評價熔體的潔凈度。建立K值和熔體潔凈度的對應關系，從而可用K值直接評價熔體質量。哈爾濱工業大學參照K-型法研發了工藝試樣法，其進步之處是在K-型法的基礎上做出了K值和鑄造以及壓鑄鋁合金熔體質量的對應關系。工藝試樣法將熔體等級分為五級，A或B級別的熔體可不需精煉直接澆注。由于該方法檢測過程簡單、結果直觀明了，在日本工廠已經廣泛應用。

1.2 金相觀察法

傳統的金相觀察法是利用金相顯微鏡直接觀察試樣中夾雜物的大小、數量及分布。金相觀察法檢測比較直觀，但試樣制備需要時間長，不適合爐前快速檢測。由于鋁合金熔體中夾雜物分布不均，取樣是否具有代表性對熔體潔凈度評價也有一定影響。同時，金相觀察法檢測對技術人員的經驗具有一定依賴性，觀察數量較多的金相試樣花費時間比較長。

東北大學研發了代替人工分析的圖像分析軟件。首先利用金相顯微鏡和電子探針鑒別和提取一般夾雜物特征。檢測時結合要檢測試樣的金相圖片，通過圖像格式轉換成灰度圖像，通過頂帽變換法進行校光，使用邊緣檢測-閉運算法有效分割出夾雜物。根據夾雜物特征提取和特征分析自動識別夾雜物[14]。另外一種自動識別檢測方法是圖譜評定法，其原理是將非金屬夾雜物經過二值化處理和反向處理，然后統計出夾雜顆粒的體積分數。相比之下，東北大學的圖像分析軟件可根據夾雜物的形狀、尺寸、灰度等多種特征對夾雜物進行更加精確的提取分析和特征識別。如果能引入人工智能算法，不僅提高鋁合金夾雜物自動識別的精確性，還有可能對夾雜物形成原因進行分析，將對指導實際生產具有重要意義。

1.3 化學分析法

化學分析方法主要用于實驗室檢測。濕法化學分析如溴-甲醇法是將試樣溶于溴-甲醇溶液獲取夾雜物。由于Si和Al的氧化物不會被溶解，該方法通過對殘渣過濾、洗滌、烘干、去Si后可得到氧化夾雜的含量。優點是檢測條件簡單，但過程繁瑣，同時配置的溴-甲醇溶液有毒。儀器化學分析法（如各種光譜分析法，中子活化分析法）檢測夾雜物種類多、速度快，但儀器分析法利用某些元素來評定夾雜物含量可能會出現偏差。

Karlsson等人將X射線分析和掃描電鏡結合，通過相關的圖像處理技術，提供夾雜物的含量和成分信息。隨著技術的不斷進步，配有EDX的便攜式掃描電子顯微鏡可以進行現場檢測，但仍要制作金相試樣。

王煒[15]等人將溴-甲醇提取和鉻天青S光度法相結合，以殘渣中的鋁含量表征氧化夾雜物含量。該研究用溴-甲醇溶液溶解試樣，用酸性溶液去除硅、氟，將殘渣加入六次甲基四胺中，使鋁與鉻天青S生成紫紅色絡合物。最后通過分光光度計測量545nm波長處的吸光度，并以此表征鋁合金熔體的夾雜物含量，缺點是該方法只能檢測到含鋁元素的夾雜物。

李靜[16]等人將溴-甲醇法與電感耦合等離子體發射光譜法相結合，測量制備溶液中的夾雜物含量。該研究采用溴-甲醇分離鋁合金中的夾雜物，將不溶物用酸消解蒸干后用鹽酸溶解。最后通過電感耦合等離子體發射光譜法測定溶液中夾雜物含量，該方法測量準確，但實驗過程較為繁瑣。

1.4 電化學檢測法

許征兵[17]等人在金相分析的基礎上，研究了夾雜物含量對試樣電化學性能的影響。通過在工業純鋁中加入機加鋁屑得到不同夾雜含量的試樣，電化學測量系統采用PS-168C型，用NaCl溶液作腐蝕介質。試驗結果證明，隨著鋁屑加入量的增多，試樣的塔爾菲曲線右移，線性極化電阻Rp變小，自腐蝕電位Ek向負方向移動，自腐蝕電流Icorr增大。這些改變都象征著材料腐蝕速率加快。該研究以腐蝕電流密度作為分析量，建立夾雜含量對自腐蝕電流密度的回歸模型。電化學檢測法要提前制作電化學試樣，且對檢測條件要求較為嚴格。目前主要用于實驗室檢測，不適合用于生產車間鋁合金熔體夾雜物含量的爐前檢測。

2 熔體試樣檢測法

2.1 熔體過濾法

法國人 JL Roberge和M Richard發明的Qualiflash法是一種以過濾法為基礎的簡易檢測方法。該方法使鋁合金熔體通過一個底部裝有陶瓷過濾片的溫控罩，過濾后熔體落入下方一個帶有4個刻度的錠模中。通過錠模中金屬液所達到的刻度評價鋁合金熔體潔凈度[18]。該裝置便于攜帶，測量速度快。但該方法檢測結果較為粗略，多用于爐前快速定性檢測。

加拿大鋁業公司開發了PoDFA法(Porous Disc Filtration Analysis)，該方法利用泡沫陶瓷過濾片富集夾雜物并進行后續的顯微觀察。如圖1所示，PoDFA法通過抽真空的方式使過濾片兩側形成壓力差，抽拉金屬液通過由超細Al2O3燒結而成的過濾餅，用過濾片上夾雜物所占面積除以熔體的質量，得出單位質量熔體中夾雜物含量（單位為mm2/kg）[19]。PoDFA法可以對夾雜物濃度進行定量分析，也可以通過金相顯微鏡觀察夾雜物的形貌進行定性分析[20]。與PoDFA法原理相似，美國聯合碳化物公司推出LAIS法(Liquid Aluminum Inclusion Sampler)來檢測熔體內的渣含量，但LAIS裝置價格昂貴，應用企業不多。

圖1 PoDFA原理圖

加拿大Bomen公司在PoDFA法的基礎上增加了記錄過濾熔體質量與時間關系曲線的功能，開發了Prefil-Footprinter裝置，實現了工業生產和熔體品質監測的同步進行。Prefil-Footprinter裝置檢測速度快，且顯示較為直觀，適合在工廠進行鋁合金熔體夾雜物含量的檢測，該裝置在降低檢測費用和提高爐前檢測性能方面還有較大研發空間。

上世紀九十年代，國內已有與Prefil-Footprinter原理相似的DMIRF法（Dynamic Monitor of Inclusion's Resistance in Filtration），但由于各種原因并沒有獲得推廣應用[21]。DMIRF法通過在濾片兩側形成壓力差抽吸鋁合金熔體，通過記錄抽濾鋁液重量與時間的關系曲線表征鋁合金熔體夾雜物含量。

Cao X[22-24]等人通過研究Prefil-Footprinter檢測過程中流動阻力變化來評價鋁合金熔體的夾雜含量。較高質量的熔體擁有較低的集總參數（σα），用引入導數的方法，建立不可壓縮濾餅層模式下的過濾方程來評價熔體夾雜物含量。此法實現了在夾雜物富集和過濾阻力層面表征夾雜物含量，但該方法目前僅用于實驗室研究，要使該評價方法能在工廠實際應用，建立相應的比阻基準是必須要解決的問題。

2.2 超聲波檢測法

超聲波檢測法是直接將探頭放入待測鋁合金熔體中檢測夾雜物的一種方法[25]。當熔體中有夾雜物存在時，超聲波遇到不同阻抗的介質，便有聲能被反射導致超聲波能量衰減。通過對比釋放和接收的超聲波振幅損失量，便可判定夾雜物的大小和數量。超聲波檢測是連續在線檢測，不破壞材料，取樣速度快，樣本容量大，但超聲波發射功率限制了小尺寸夾雜物檢測的靈敏度。C.B.Sruby研究了非接觸式的激光-超聲波技術用于高溫熔體檢測，但其檢測精度不及接觸式超聲波檢測儀。Yuu Ono等人研究提出鋁合金熔體存在夾雜物會導致超聲波的傳播速度、振幅發生改變，并有能量被散射。通過檢測散射的超聲波能量可以檢測更低夾雜濃度的熔體。研究發現夾雜物豎直通過檢測區域時，信號波出現不同延遲并顯示為斜線排列[26,27]。該研究設計使鋁合金熔體從細管豎直通過檢測區域，將整個過程的背散射波振幅顯示在同一個畫面上來統計評判熔體的夾雜含量。該方法在夾雜物含量水平低的情況下不夠精確，同時降低背景噪聲以檢測更小尺寸夾雜物的問題還有待解決。

2.3 電阻檢測法

加拿大Bomen公司開發的LiMCA系列產品可直接測量熔體中的夾雜物密度。LiMCA檢測設備配備了先進的信號加工和數據處理裝置，可以實時分析熔體中夾雜物的分布[28]。檢測原理如圖2所示，利用夾雜物通過特制小孔時回路產生的脈沖電壓來檢測夾雜物，電壓脈沖的大小對應夾雜物大小。該方法通過記錄檢測過程中脈沖電壓的變化，評價鋁合金熔體中夾雜物的含量[29,30]。檢測過程一分鐘就能完成，但特殊孔徑的制作成本高，孔徑尺寸的和背景噪聲對信號分辨率的影響限制LiMCA只能檢測一定范圍尺寸的夾雜物。當小孔直徑為300μm時，能檢測到的夾雜物最小尺寸約為20μm[31]。該方法會造成20%～60%的夾雜物因為孔徑堵塞無法被檢測到。基于數字信號處理的LiMCA系統還能記錄每個脈沖的起始和終了時間，與模擬技術的LiMCA-Ⅱ相比，檢測成本和靈活性都得到了改善。

圖2 LiMCA檢測系統原理圖

Makarov和Ludwig研究用并聯電壓傳感器（Multiple Voltage Probe Sensor）檢測金屬熔體中的非金屬夾雜物。該研究利用非金屬夾雜物導致金屬熔體電阻分布不均的原理，通過測量液面排布電極的電壓確定夾雜物的大小、數量以及分布[32]。并聯電壓傳感器由布置在熔體表面的一系列電極組成，用兩個電極給金屬熔體施加電流，其余的電極用于測量熔體表面的電壓。當有非金屬夾雜物通過檢測區域時，會有一個標準的一正一負的雙峰圖像出現。峰值大小對應夾雜物的大小，峰值間距對應夾雜物所處的深度。但該方法容易出現誤差，重復性差，并且對小粒徑的熔體夾雜物不敏感。

羅峰[33]等人基于電敏感區原理，采用阻抗脈沖技術檢測鋁熔體中夾雜物。該方法檢測原理與LiMCA基本相同，但采用電阻變化評價鋁合金熔體中夾雜物含量。

Li M[31]等人結合磁流體力學效應開發了避免小孔堵塞的探頭，該探頭在小孔外部加裝管形通道。大尺寸夾雜物因受到較大的電磁力偏向管壁而不經過小孔，但也在一定程度上導致檢測偏差。Badowski M[34]等人通過將小孔直徑減小至200μm，并調整實驗參數，使得LiMCA系統檢測到夾雜尺寸突破至10μm～20μm。

（4）洛倫茲力檢測法

Makarov等人提出通過洛倫茲力檢測熔體中的夾雜物[35]。該方法通過兩個電極在熔體中施加電流，產生磁場并產生作用于熔體的洛倫茲力。洛倫茲力不作用在非金屬夾雜物上，使非金屬夾雜物相對朝著洛倫茲力相反的方向移動。因此，適當的布置電極添加一個向下的洛倫茲力就能使夾雜物上浮，通過目視法評定夾雜物含量。該方法檢測速度快，每分鐘可檢測200個體積為2cm3的樣品，檢測的夾雜物直徑達到10μm。但是表面張力會阻礙夾雜物上浮，從而影響檢測結果，且裝置對小尺寸夾雜物不敏感。

圖3 洛倫茲力分析儀原理圖

王曉東[36]等人研究的洛倫茲力分析儀(Lorentz Force Particle Analyzer)，通過在流體中施加橫向的洛倫茲力實現夾雜物檢測。該方法通過在液流上方放置一個永久磁鐵，鋁熔體的每一點都受到改變液流方向的洛倫茲力，從而減慢液流速度，同時流體作用在檢測裝置上一個感生力F0。當有夾雜物通過檢測區域時，感生力F0'明顯區別于無夾雜物通過的感生力F0而被檢測到。通過高分辨率的力傳感器（激光探針）測量感生力F0'即可檢測到液流中的夾雜物。該研究建立了多個模型，并測量了夾雜通過磁場時感生力F0'和渦流形狀的改變。相比Makarov等人的洛倫茲力檢測法精確了許多，但洛倫茲力分析儀易受外界影響，同時該方法僅僅停留在水模擬的研究階段。

3 結論

隨著高性能鋁合金鑄件需求量的不斷增加，對鋁合金夾雜物含量精準評價技術的要求愈加迫切。鋁合金夾雜物含量檢測方法主要有固體試樣檢測法和熔體試樣檢測法兩大類，前者用于實驗室分析和生產現場爐前定性檢測，后者用于生產線爐前閉環控制。固體試樣檢測的主流技術是斷口金相觀察法和化學分析法，研究發展趨勢是追求高精度和智能化，包括鋁合金夾雜數字金相分析儀、鋁合金夾雜化學（電化學）自動分析儀在內的檢測儀器應該盡快推出產品。熔體試樣檢測的主流技術是基于過濾的夾雜物檢測方法和基于熔體夾雜非電量電信號轉換的檢測方法，追求的目標是快速便捷，以適應爐前閉環控制的需要，要在現有的超聲波檢測法、電阻檢測法和洛倫茲力檢測法等基礎上，研究開發更為快捷精準的包內或流槽內直接檢測方法。可以預見，伴隨著人工智能技術的日益普及，鋁合金夾雜物檢測技術亦將與之實現有機融合，新一代更加高效實用的鋁合金夾雜檢測裝備一定會很快問世并成功用于鋁合金生產領域。