半連續鑄造Al-Zn-Mg-Cu合金的顯微組織與力學性能

李盛鋒，孫小燕，王 蕾，羅銘強，陳文泗

（1.廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510651；2.廣東興發鋁業有限公司，廣東 佛山 528000）

Al-Zn-Mg-Cu合金是可熱處理強化的高強度鋁合金，廣泛用于交通運輸、航空航天、電子電器、機械設備、模具等領域，如汽車、高鐵、飛機、火箭、智能手機、筆記本電腦、注塑成型模具等[1]。Al-Zn-Mg-Cu合金的主要強化元素包括Zn、Mg、Cu，可形成多種強化效果顯著的強化相，提高鋁合金的強度，使Al-Zn-Mg-Cu合金的熱處理強度效果遠遠勝過于Al-Zn二元合金。提高合金中Zn、Mg、Cu元素的含量，可進一步提高Al-Zn-Mg-Cu合金的強度[2]。由于Al-Zn-Mg-Cu合金的Zn、Mg、Cu元素含量較高，合金凝固溫度范圍較寬，采用半連續鑄造工藝制備大規格尺寸的Al-Zn-Mg-Cu合金鑄錠時，鑄錠的元素偏析非常嚴重，晶粒較為粗大，熱裂傾向較大，會嚴重降低Al-Zn-Mg-Cu合金鑄錠的質量和成材率，甚至難以獲得質量合格的大規格半連續鑄造Al-Zn-Mg-Cu合金鑄錠。

晶粒細化可以改善鑄錠的組織成分均勻性，提高鋁合金鑄錠的質量[3]。在半連續鑄造過程中通過添加晶粒細化劑是實現鑄錠晶粒細化的有效方法，但該方法仍然無法完全解決大規格半連續鑄造Al-Zn-Mg-Cu合金鑄錠的元素偏析和熱裂問題[4]。研究人員[5，6]研究了電磁攪拌對半連續鑄造Al-Zn-Mg-Cu合金鑄錠組織的影響，但電磁攪拌半連續鑄造的生產工藝較為復雜，成本較高，難以應用于實際生產。超聲波振動具有空化效應和聲流效應的雙重作用，采用超聲波振動輔助半連續鑄造鋁合金鑄錠，可細化鑄錠的晶粒組織，抑制元素偏析，消除熱裂[7-10]，并且超聲波振動的工藝較為簡單，容易實現工業化生產。因此，本文采用超聲輔助半連續鑄造工藝制備直徑310 mm的Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠，研究了半連續鑄造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的顯微組織與力學性能。

1 實驗材料與方法

實驗材料為Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金，采用純鋁錠（99.7%，質量百分數，下同）、純鋅錠（99.9%）、純鎂錠（99.95%）和Al-10Cu中間合金熔煉配制。實驗設備包括300 Kg鋁合金熔煉爐、螺桿式半連續鑄造機和超聲波振動系統，超聲波振動系統包括超聲波發生器、換能器、變幅桿和工具頭，變幅桿和工具頭的材質為鈦合金，工具頭直徑為50 mm。超聲波輔助半連續鑄造裝置如圖1所示。

在鋁合金熔煉爐中于780℃加熱熔化純鋁錠，然后加入純鎂錠、純鋅錠和Al-10Cu中間合金，攪拌熔化成鋁合金液，對鋁合金液取樣并澆注成錠，然后采用SPECTRO-MAX型直讀光譜儀對鋁合金錠進行化學成分分析，成分見表1。采用純度為99.99%的氬氣和鋁合金液重量為0.5%的鋁合金精煉劑對鋁合金液進行噴吹精煉除氣除雜，噴吹精煉時間為3 min，扒渣后再降溫至730℃，再靜置30 min，最后將鋁合金液在超聲波振動條件下半連續鑄造成直徑310 mm的鋁合金鑄錠，鑄造溫度為710℃，冷卻水流量為3000 L/h，鑄造速度為65 mm/min，超聲波功率分別為0 W、70 W、140 W和210 W。

圖1 半連續鑄造裝置示意圖

表1 合金的化學成分（質量百分數，%）

分別在鋁合金鑄棒橫截面的二分之一半徑位置處取樣，試樣經磨制、拋光和腐蝕后，在LEICA-DMI3000M型光學顯微鏡和JEOL型掃描電子顯微鏡上進行組織觀察，并使用電子探針能譜對第二相和鋁基體元素固溶度進行分析。將試樣加工成拉伸試樣，在DNS200型電子拉伸試驗機上進行室溫拉伸，拉伸速度為2 mm/min，拉伸試樣的形狀尺寸如圖2所示。

圖2 拉伸試樣的形狀尺寸（單位：mm）

2 實驗結果與分析

2.1 顯微組織

圖3為半連續鑄造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的顯微組織。從圖3可看到，沒有施加超聲波振動時，鑄錠的顯微組織為粗大的α-Al樹枝晶，晶界較寬和較粗大，α-Al晶粒的尺寸大小差異也較大，如圖3（a）所示。

當施加超聲波振動后，隨著超聲波功率的增大，鑄錠的顯微組織逐漸從粗大的α-Al樹枝晶向α-Al等軸晶轉變，α-Al晶粒尺寸越來越細小，晶界變得越來越細。

當超聲波功率增大到210 W時，從圖3（d）可看到，鑄錠的顯微組織為細小均勻的α-Al等軸晶，α-Al晶粒的尺寸大小均勻。

圖3 合金鑄錠的顯微組織

圖4 合金鑄錠的掃描電鏡背散射圖

Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的晶粒細化主要得益于超聲波振動產生的空化效應和聲流效應[7]。在超聲波振動作用下，鋁合金熔體內部會產生大量的空化泡，空化泡持續不斷地吸收來之超聲波振動產生的能量，使空化泡不斷地長大，當空化泡的壓力超過某一閾值時，空化泡破碎，空化泡破碎會使鋁合金熔體局部產生高溫和高壓，并吸收鋁合金熔體的一部分熱量[8]，這種空化泡效應會提高鋁合金熔體的過冷度，進而增加了鋁合金熔體形核核心，最終使鑄錠的α-Al晶粒得到細化。超聲波振動還會在鋁合金熔體中產生聲流效應，使鋁合金熔體內部產生了局部的壓力梯度，使鋁合金熔體形成對流，對流會使打碎α-Al枝晶，增加鋁合金熔體的形核核心，同樣可起到α-Al晶粒的細化作用[9]。

圖4為半連續鑄造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的掃描電鏡背散射圖。

從圖4可看到，未施加超聲波振動時，鑄錠顯微組織的第二相在α-Al樹枝晶的晶界處呈連續分布，第二相形態呈棒狀和針狀，部分心部的第二相呈點狀分布，如圖4（a）和（c）所示。施加超聲波振動后，鑄錠顯微組織的第二相主要呈點狀和塊狀，α-Al晶粒的心部沒有第二相存在，如圖4（b）和（d）所示。

表2為半連續鑄造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的電子探針能譜分析結果。

從表2可看到，位置1的第二相含有Al、Mg、Cu和Fe元素，其含量分別為68.83%、3.21%、6.01%和21.95%，Al和Fe元素是主要元素，Al和Fe元素的原子數量比等于3:1，因此，位置1的第二相為Al3Fe相。位置3的第二相只有含有Al和Fe元素，Al與Fe的原子數比等于3:1，因此，位置3的第二相也是Al3Fe相。位置2的第二相為Al2Zn3Mg3相。位置4的第二相的成分組成與位置1的第二相的成分組成相同，因此，位置4的第二相也是富鐵相Al3Fe。

表2 電子探針能譜分析結果（質量百分數，%）

2.2 力學性能

圖5為半連續鑄造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的拉伸力學性能與超聲波功率之間的關系曲線。

從圖5可看到，沒有施加超聲波振動時，由于鑄錠的顯微組織為粗大的α-Al樹枝晶，晶界較寬和較粗大，α-Al晶粒的尺寸大小差異也較大，導致鑄錠的拉伸力學性能較低，其抗拉強度為310.9 MPa，伸長率為9.1%。

施加超聲波振動后，由于α-Al晶粒和第二相都得到細化，因此，鑄錠的拉伸力學性能得到提高。隨著超聲波功率的逐漸增大，由于鑄錠的顯微組織逐漸從粗大的α-Al樹枝晶向α-Al等軸晶轉變，α-Al晶粒和第二相的尺寸越來越細小，晶界變得越來越細。

因此鑄錠的拉伸力學性能越來越高。當超聲波功率增大到210W時，鑄錠的抗拉強度為329.4 MPa，伸長率為12%，與沒有施加超聲波振動的鑄錠相比，此時鑄錠的抗拉強度提高了6%，伸長率提高了31.3%。

圖5 拉伸力學性能與超聲波功率之間的關系曲線

3 結論

（1）施加超聲波振動可細化半連續鑄造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的α-Al晶粒和第二相，提高鑄錠的力學性能。

（2）超聲波功率越大，Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的α-Al晶粒和第二相越細小，分布越均勻，鑄錠的拉伸力學性能越高。

（3）當超聲波功率為210 W時，半連續鑄造Al-6Zn-0.9Mg-0.2Cu合金鑄錠的抗拉強度為329.4 MPa，伸長率為12%。

（4）與未施加超聲波相比，施加210 W超聲波的半連續鑄造合金鑄錠的抗拉強度提高了6%，伸長率提高了31.3%。