超聲和AI-5Ti-1B復合處理對工業純鋁凝固組織的影響行為與機理研究

Studyon the Influence Behavior and Mechanism ofUltrasonicand Al-5Ti-1B Compound Treatment on the Solidification Structure of Commercial-Purity Aluminum

Han Ruiyuan， Wang Yuxin，Li Qingping， Zhang Aimin （School ofMaterials Scienceand Engineering，Henan Institute of Technology，Xinxiang 453003）

Abstract：The conventional solidification structure of cast pure aluminum is coarse.Applyingan ultrasonic field andadding grain refinersduring the solidification processcan refine the grain size，thereby improving the comprehensivepropertiesof theally.Thispaper studies theeffctsof thecombined treatmentofAl-5Ti-1Brefiner andultrasonic fieldonthesolidification processandsolidification structureofpurealuminum.Theexperimentalresults show that thecombined treatment oftheultrasonic fieldand therefiner canachievea bettergrainrefinement ffect than when they actalone.As the ultrasonic power increases，the grain size gradually decreases，and the numberof defectssuchascavitiesand porosityshrinkage also significantlydecreases.Ultrasonic fieldcanpromote theuniform distributionof heterogeneousphaseandallyingelementsinthealuminummelt from therefiner，increasing the number of effective heterogeneous nuclei of α -Al.The best combined refinement effect is obtained when theultrasonic poweris1OooW.Finaly，thecombinedactionmechanismofultrasonicfieldandtherefinerisdiscused，andits microscopic actionatomic modelisgiven.

Keywords：Purealuminum，Grainrefinement，Ultrasoundfield，Al-5Ti-1B，Atomicmechanism

1前言

空航天、高速列車、新能源汽車、架空導線及電子封裝等領域中均大量應用[1-3]，是目前應用最廣泛的有色金屬結構材料之一。

鋁合金具有導電性、導熱性與延展性好，比強度、比模量高，塑性好以及耐蝕性強等優點，在航在純鋁的凝固過程中，常出現組織粗大的問題，澆注前向鋁熔體中添加細化劑[4-]，或對凝固過程進行超聲場處理（Ultrasonic Treatment）[7-9]，均可有效提高 ααΩαΩαΩαΩαΩαΩαΩαΩ 的形核率，實現凝固組織的晶粒細化，從而較好地提升其綜合性能。目前，單獨利用AI-Ti-B類細化劑或超聲場改性鋁合金、鎂合金等鑄態組織的研究較多，而關于超聲與細化劑復合處理的研究相對較少，復合處理時對凝固組織是否有疊加的效果仍有待深入探索。

本文在鋁合金凝固過程中施加超聲場和A1-5Ti-1B細化劑，研究細化劑與外場復合處理對純鋁凝固組織的影響，并深人討論超聲場和細化劑作用下的微觀模型，以期從原子層面分析影響鋁合金凝固過程的微觀機制。

2 試驗方法與過程

本試驗所用原材料為高純凈度工業純鋁鋁錠、Al-5Ti-1B合金細化劑等。細化試驗所用超聲設備如圖1所示，試驗所用的澆注錠模為高純石墨坩蝸。

首先將電阻爐升溫到 700^°C ，待石墨坩蝸變成暗紅色后將準備好的純鋁塊放入坩蝸中，然后進行加熱。鋁塊熔化后，扒渣加少量覆蓋劑后升溫，待溫度升高到 740°C 時，添加質量分數 0.2% 的Al-5Ti-1B細化劑，并攪拌至完全熔化，繼續保溫10min 后取出進行超聲處理。鈦合金超聲工具頭經500°C 預熱后，緩慢下放到合金熔體中，浸沒熔體約10mm 左右，隨后開啟電源進行超聲處理 2～3min ，取出工具頭后將錠模自然冷卻。

不同組的細化試驗工藝參數如表1所示，Al-5Ti-1B添加量均為質量分數 0.2%_? 將全部鑄錠沿中間部分進行垂直切取，對截面進行磨拋處理后采用混合酸 （60mLHCl，30mLHNO₃，5mLHF，5mLH₂0） 進行宏觀腐蝕，腐蝕過程用棉花對表面均勻擦拭，直至顯示清晰的宏觀組織。

3 結果與討論

3.1超聲與細化劑單獨處理下的宏觀組織分析

金屬凝固過程中進行超聲處理可產生顯著的晶粒細化效果，圖2是工業純鋁未加細化劑僅經不同超聲功率處理后的宏觀組織照片，對比圖2a＼～圖2d可以看出，未經超聲處理時，純鋁凝固后的晶粒異常粗大，柱狀晶幾乎貫穿整個試樣橫界面，局部存在粗大的等軸晶，且等軸晶的尺寸也大小不一，極不均勻。在經過超聲處理后，工業純鋁的宏觀組織發生了明顯的細化，由柱狀晶完全轉變為細小均勻的等軸晶，晶粒尺寸顯著減小。隨著超聲功率的增加，工業純鋁的宏觀組織晶粒尺寸逐漸減小，其中 1500‰ 超聲處理后的工業純鋁的宏觀組織晶粒尺寸最小，晶粒細化效果最佳。

此外，從圖2b、圖2c和圖2d中還可以明顯看出，隨著超聲功率的增大，工業純鋁凝固過程中的縮孔、縮松等鑄造缺陷也顯著減少，如圖2中虛線部分所示。除了晶粒細化對縮孔、縮松數量的影響外，超聲處理時產生的振動還可以促進熔體的流動，這種流動有助于及時補充凝固過程中熔體因收縮而產生的空隙[11-12]。隨著超聲功率的增大，超聲處理所產生的熔體宏觀流動效果越來越顯著，進而對縮松、縮孔的消除作用更加明顯，從而有效減少了縮松、縮孔的形成。

圖3是工業純鋁僅添加細化劑前后的宏觀組織照片，對比圖3a和圖3b可以看出，在添加Al-5Ti-1B細化劑后，工業純鋁的宏觀組織同樣發生明顯的細化，晶粒形狀由粗大的柱狀晶完全轉變成了細小的等軸晶，晶粒細化效果與超聲細化效果相當。

3.2超聲和AI-5Ti-1B復合處理后的宏觀組織分析

3.2.1超聲處理功率對Al-5Ti-1B細化效率的影響

研究表明，超聲場與細化劑復合作用于鋁熔體，可獲疊加的晶粒細化效果，其機理被認為是超聲對“雜質”的活化作用，并未討論超聲對細化劑本身的影響[3]。本文采用 500W，1000W 和 1500‰ 超聲功率分別與AI-5Ti-1B細化劑復合作用于純鋁凝固過程，分析其超聲場對Al-5Ti-1B細化效果的影響規律。

圖4是工業純鋁添加Al-5Ti-1B細化劑與超聲復合處理后的宏觀組織照片，超聲處理到液相線以下即 結束，對比圖 4a～ 圖4d可以看出，與只添加Al-5Ti-1B細化劑相比，超聲與Al-5Ti-1B復合處理具有一定的疊加效果；當超聲處理功率為500W時，復合的疊加效果不明顯（圖

4b），可能是由于超聲功率較低，對Al-5Ti-1B中TiB₂ 顆粒的分散效果較弱； 1000‰ 超聲和Al-5Ti-1B復合的細化效果最好（圖4c），此時應因功于超聲對 TiB₂ 顆粒的較強分散作用，增加了 有效的形核核心數量；而當超聲處理功率達到 1500‰ 時，復合處理的疊加細化效果反而出現一定程度的削弱，其細化效果弱于 1000W 超聲和Al-5Ti-1B復合作用，如圖4d所示。此外，通過對比圖4c、圖4d和圖2c、圖2d還可以看出，復合作用對縮松、縮孔的影響也與超聲單獨作用時不同，復合處理時組織中整體收縮數量明顯減少，但局部仍有較大縮孔。

3.2.2 超聲處理溫度對Al-5Ti-1B細化效率的影響

超聲處理對細化劑的影響主要體現在對Al-5Ti-1B中 TiB₂ 和 Al₃Ti 相的作用，其中熔體溫度對超聲效果具有決定性的作用，熔體溫度較高時，超聲處理對 TiB₂ 的分散和 Al₃Ti 的溶解都有較好的促進作用，當熔體溫度較低時，超聲場的作用效果會顯著降低14；通過試驗發現， 超聲功率過小，對Al-5Ti-1B細化劑促進作用有限，因此，選擇1000W和1500W功率研究超聲處理溫度對復合細化效果的影響規律。

圖5是1000W和1500W功率超聲與Al-5Ti-1B細化劑在不同超聲處理溫度下純鋁的宏觀組織照片，即超聲處理溫度在液相線以上，即670～680^°C 。從圖5中可以看出，液相線以上的超聲處理即可獲得較好的細化效果， 1500‰ 超聲處理后的工業純鋁的宏觀組織晶粒尺寸較小，晶粒細化效果最佳。此外，與圖3和圖4相比還可以推斷出，液相線以上的復合處理雖然比單獨添加細化劑的細化效果好，但相比于 1000‰ 超聲與細化劑在整個凝固過程中的復合處理，并未達到最佳的疊加細化效果。因此，可以得出獲得超聲與細化劑復合處理的最佳工藝參數為超聲功率為 1000W ，處理溫度為整個凝固過程溫度區間。

3.3 細化機理分析

3.3.1超聲場對 ααΩαΩαΩαΩαΩαΩαΩ 基體自形核與生長的影響

高能超聲波在金屬熔體中傳播會產生聲空化與微射流效應[15-16]。首先，在超聲波的作用下，鋁熔體中會誘發大量的微小氣泡，當超聲波在鋁熔體中產生的聲壓超過空化閾值時，微小的氣泡受到周期性交變聲場的作用，進而發展成空化氣泡[]。隨著空化泡在高壓作用下的瞬時破裂，會對金屬熔體產生原子級別的爆破沖擊，使得原本逐漸聚集長大的A1原子團簇再次被沖散成小尺寸團簇，這種小尺寸原子團簇在形核溫度下難以發生結晶轉變，只有當外界溫度繼續降低時才有足夠的能量克服表面能阻力，即相當于增加了金屬熔體過冷，進而增加了 ααΩαΩαΩαΩαΩαΩαΩαΩ 的形核率，促進了形核，超聲作用機理如圖6所示。

3.3.2 超聲場對 ∝-Al 依附于細化劑異質形核的影響

如圖7所示，細化劑中的 TiB₂ 顆粒尺寸較小、呈嚴重聚集狀態分布，加人純鋁中后，細化劑中的TiB₂ 相在鋁熔體中仍不易分散均勻，一定程度上會影響其細化效果[18]。超聲處理時，空化氣泡崩潰產生的微射流對團聚的 TiB₂ 顆粒具有強烈的沖擊作用，能夠打破顆粒之間的范德華力等團聚作用力，可在短時間內迅速使 TiB₂ 顆粒分散更加均勻。同時，空化作用同樣也會對 Al₃Ti 團簇凝固過程的尺寸變化等產生影響，這種影響與超聲對Al原子團簇的影響類似，其原理如圖6所示。超聲作用下形成了更多更分散的小尺寸 Al₃Ti 原子團簇，進而可使更多的 Al₃Ti 團簇依附于同樣分散的 TiB₂ 顆粒，形成更多穩定的 Al₃Ti 層（圖7），表面形成 Al₃Ti 層的 TiB₂ 復相粒子是 ααΩαΩαΩαΩαΩαΩαΩαΩ 異質形核的關鍵[]，最終提高了有效異質核心的數量及效率。

此外，超聲在混合鋁熔體中傳播，其有限振幅衰減將在變幅桿端面與熔體內部之間形成聲壓梯度，從而產生熔體整體環流，環流的最大可能速度μ 為[20]：

式中 ?f 為超聲頻率，A為變幅桿端面振幅。

這種由超聲振動引起的熔體宏觀流動可使得整個熔體的溫度分布與成分分布更均勻，有助于Al₃Ti 相的快速熔解與Ti元素、 TiB₂ 相的均勻分布，可在一定程度上提高鋁熔體對細化劑中Ti、B的有效利用率。

4結束語

本文通過對工業純鋁凝固過程進行超聲處理、添加Al-5Ti-1B處理以及超聲和Al-5Ti-1B復合處理，研究了不同處理方式對工業純鋁的細化行為與微觀機制，得到如下結論：

a.超聲處理和添加Al-5Ti-1B細化劑均可單獨有效地細化工業純鋁晶粒，隨著超聲功率增加，細化效果提高，超聲功率為 1500‰ 時晶粒細化效果最佳；

b.超聲和Al-5Ti-1B復合處理時，超聲功率為1 0 0 0‰時超聲與細化劑的細化效果均達到最好，500W時超聲的細化效果較弱、細化劑細化效果明顯，相反， 1500‰ 時超聲細化效果明顯，細化劑則較弱或失去細化效果；

c.超聲微射流使得 ∝-Al 團簇尺寸變小，相當于增大過冷度提高了形核率，較小尺寸的團簇既可依附于異質核心完成形核轉變，又能在一定外在過冷度下完成自身形核轉變，而過小尺寸的團簇則優先依靠高的過冷度完成自身形核轉變。

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